Kolektory promieniowania słonecznego

Najbardziej popularnym urządzeniem służącym do konwersji termicznej EPS jest kolektor energii promieniowania słonecznego, zwany kolektorem słonecznym. Jest to wymiennik ciepła służący do zamiany elektromagnetycznej energii promieniowania słonecznego na ciepło. Jego zadaniem jest podgrzanie czynnika roboczego (wody, mieszaniny wody i czynników zabezpieczających przed zamarznięciem lub powietrza) dla realizacji celów użytkowych, np. ogrzewania:

• pomieszczeń,
• basenów kąpielowych,
• ciepłej wody użytkowej.

Ze względu na kryterium rodzaju czynnika roboczego, dzielimy kolektory na cieczowe (z czynnikiem ciekłym) i powietrzne.

Kolektor promieniowania słonecznego jest zasadniczym elementem słonecznych systemów grzewczych, w skład których wchodzi jeszcze na ogół pompa cyrkulacyjna, zasobnik ciepłej wody, armatura i układ automatyki.

• Podstawowe elementy typowego płaskiego, wodnego kolektora to:
• absorber, na którego powierzchni pochłaniane jest promieniowanie słoneczne,
• przykrycie przezroczyste,
• izolacja cieplna oraz
• obudowa zewnętrzna.

Absorber jest podstawowym elementem kolektora. Stanowi go płyta, która może być pokryta specjalnym materiałem (czarna farba, czarny nikiel, czarna miedź lub inne związki chemiczne) charakteryzującym się dużym współczynnikiem pochłaniania promieniowania słonecznego i małym współczynnikiem emisji. Absorber pokryty taką warstwą nazywamy selektywnym. Pokrycie blachy absorbera takimi specjalnymi powłokami selektywnymi ogranicza jego radiacyjne straty ciepła do otoczenia, a czynnik roboczy może być podgrzany w kolektorze do wyższej temperatury. Absorbery nieselektywne mają natomiast powierzchnię, której absorpcyjność w całym zakresie widma promieniowania słonecznego jest równa emisyjności.

• Typy konstrukcji absorberów są następujące:
• absorbery z przyspawanymi (lutowanymi lub zgrzewanymi) kanałami przepływowymi o różnym kształcie i układzie;
• absorbery typu „sandwich”, które produkuje się z dwóch zgrzewanych arkuszy blachy.

Geometria absorbera może być różna jak i sposób położenia i łączenia jego kanałów ze sobą. Absorber z kanałami pionowymi, o takich samych oporach przepływu dla każdego kanału jest najbardziej przydatny dla wszelkich możliwych zastosowań (układ grzewczy z pompą cyrkulacyjną lub działający na zasadzie cyrkulacji naturalnej czynnika roboczego).

Kanały, którymi przepływa czynnik w absorberze podłączone są do kanałów zbiorczych dostarczających i odbierających czynnik z kolektora. Kanały zbiorcze, umieszczone również w obudowie kolektora, pokrywane są tym samym materiałem co płyta absorbera, przez co zostaje zwiększona maksymalnie czynna powierzchnia kolektora promieniowania słonecznego.

Część przepływowa kolektora umieszczona jest w obudowie izolowanej cieplnie od spodu i z boku materiałem o małym współczynniku przewodzenia ciepła (wełna mineralna, pianka poliuretanowa, itp.). Obudowa kolektora musi mieć otwory wentylacyjne, pozwalające na wyrównywanie ciśnień cząstkowych pary wodnej zawartej w jego wnętrzu i otoczeniu, aby nie dochodziło do zaparowania szyby osłaniającej absorber lub jego samego.

Przykrycie przezroczyste - płytę górną kolektora słonecznego stanowi przezroczysta przegroda najczęściej w postaci szyby. Pomiędzy tą przegrodą i powierzchnią absorbera znajduje się szczelina powietrzna (lub próżniowa) ograniczająca straty ciepła do otoczenia. Zadaniem takiego (możliwie najszczelniejszego) zamknięcia, jest minimalizacja strat ciepła przez konwekcję od powierzchni absorbera. Możliwe jest stosowanie więcej niż jednego przekrycia szklanego. Kolektory z dwoma szybami są rzadziej stosowane, szczególnie w polskich warunkach klimatycznych. Mała ilość energii słonecznej dostępnej w okresie niskich temperatur zewnętrznych (zima) nie zachęca do stosowania kosztownych środków (dodatkowa szyba, większa i cięższa obudowa), które zwiększą ilość pozyskiwanej energii zimą, ale latem mogą być przyczyną ograniczeń w pozyskiwaniu ciepła. Dodatkowa szyba zmniejsza ilość promieniowania docierającego do absorbera, dodatkowo zaś zwiększająca się w tym przypadku grubość kolektora zmniejsza czynną powierzchnię absorbera przy promieniowaniu nie prostopadłym do jego powierzchni czołowej (zacienienie przez boki kolektora). Dlatego najczęściej stosowane jest jedno przekrycie przeźroczyste.

Postęp technologiczny umożliwia budowę kolektora słonecznego o materiałach i strukturze przedstawionej na rysunku "Budowa kolektora słonecznego". Zadaniem warstwy antyrefleksyjnej, która może być położona na zewnętrznej powierzchni szyby jest zmniejszenie ilości promieniowania słonecznego odbijanego od szyby. Z kolei warstwa refleksyjna na powierzchni wewnętrznej szyby zmniejsza ilości energii traconej do otoczenia w formie promieniowania podczerwonego (cieplnego) od absorbera. Warstwa tzw. izolacji transparentnej może ograniczyć istotnie straty ciepła od absorbera do otoczenia. Oferowane są kolektory o jeszcze bardziej skomplikowanej konstrukcji. Nowoczesne technologie zastosowane do budowy kolektora słonecznego zwiększają wydatnie jego cenę. Efekt energetyczny w postaci polepszenia sprawności urządzenia może nie zawsze być adekwatny do wzrostu kosztów.

Zastosowanie nowoczesnych rozwiązań powinno mieć uzasadnienie ekonomiczne w aspekcie spełnianych przez kolektor funkcji.

• Wyróżnia się szereg innych rodzajów kolektorów, wyspecyfikowanych poniżej, mających zastosowanie w budownictwie mieszkaniowym:
• wodne kolektory magazynujące,
• wodne niskotemperaturowe kolektory elastyczne, przydatne do ogrzewania basenów kąpielowych,
• kolektory próżniowe, w których umieszczenie absorbera w próżniowej rurze lub próżniowej prostopadłościennej obudowie zapewnia najniższe straty cieplne,
• kolektory z rurami cieplnymi,
• kolektory skupiające, koncentrujące promieniowanie bezpośrednie, wymagające stosowania układów dostosowujących ich położenie do pozornego ruchu Słońca,
• kolektory koncentrujące CPC (compound parabolic concentrator), w których absorber jest umieszczony wewnątrz układu geometrycznego, który umożliwia wykorzystanie, oprócz promieniowania bezpośredniego, również promieniowanie rozproszone padające na układ, w przeciwieństwie do kolektorów skupiających.

Słoneczne systemy przygotowania ciepłej wody użytkowej są najczęściej stosowane w domach jednorodzinnych, obiektach użyteczności publicznej (szkoły, szpitale), ośrodkach rekreacyjnych, sportowych, schroniskach jak również służą do podgrzewania wody w basenach kąpielowych otwartych i krytych oraz w rolnictwie.

Do podgrzewania wody w basenach kąpielowych z powodzeniem można stosować bardzo proste w budowie kolektory słoneczne o absorberach z tworzyw sztucznych lub same absorbery składające się z mat lub rur z tworzywa sztucznego. Absorber taki nie musi być osłonięty szybą, ani nawet izolowany cieplnie od spodu i boku. Przykładowe typy takich absorberów zaprezentowano na rysunku poniżej.

Do podgrzania wody w basenie nie jest konieczne uzyskiwanie wysokich temperatur wody, a więc kolektory pracują przy mniejszych temperaturach wody i większych natężeniach przepływu z większą sprawnością cieplną.

Stosując kolektory odporne na korozję, możliwe jest napełnianie basenów z kolektorów bezpośrednio, tak jak widać na schemacie, bez wymienników ciepła. Obniża to koszty budowy systemu.

Lepsze efekty wykorzystania EPS uzyskuje się w basenach krytych lub w takich, w których powierzchnia wody jest zakrywana na okres kiedy basen nie jest użytkowany. Zapotrzebowanie na ciepło w basenie odkrytym może być nawet dwukrotnie większe z powodu odparowania wody wywołanego oddziaływaniem wiatru.

Kolektory są urządzeniami produkowanymi przemysłowo, ale można je wykonywać sposobem tzw. "domowym", licząc się jednak w tym przypadku z możliwością uzyskania gorszych parametrów cieplnych (absorber nie jest pokryty powłoką selektywną).

Wskazane jest wbudowanie kolektora w połać dachową (patrz zdjęcie.), co pozwala na uzyskanie oszczędności tradycyjnego pokrycia dachu.

Kolektor izolowany cieplnie od spodu stanowi jednocześnie dobrą izolację cieplną poddasza. Układ taki jest korzystny dla samych kolektorów (zmniejszają się niekorzystne dla kolektora ruchy dylatacyjne jego elementów: obudowy, absorbera, rur zbiorczych). Kolektor jest również w mniejszym stopniu poddany obciążeniom cieplnym wynikającym ze zmian zewnętrznych warunków atmosferycznych.

Kolektor stanowi moduł o powierzchni najczęściej około 1,5, 2 m². Moduły takie mogą być szeregowo lub równolegle łączone ze sobą w celu uzyskania potrzebnej powierzchni absorbującej energię promieniowania słonecznego dla pokrycia założonego zapotrzebowania na ciepło. Przy łączeniu równoległym kolektorów, dla uzyskania jednakowych natężeń przepływu przez każdy z nich, powinny być zapewnione równe opory przepływu czynnika poprzez jednostkowe moduły.