Kolektory solarne: działanie, typy, konstrukcja

fot. sxc.hu

Zasadniczo istnieją 3 typy kolektorów pod względem konstrukcji: płaski, płaski próżniowy i rurowy. Różnice między nimi wynikają z wielkości, wydajności, instalacji i wspomnianej już konstrukcji kolektora. Poniższe zestawienie pomoże w lepszym zrozumieniu ich specyfikacji.

1. Kolektor płaski 

Ten typ zawiera absorber, izolację mineralną, szybkę solarną, przewody z czynnikiem roboczym i obudowę. Energia promieniowania słonecznego przedostaje się przez szybkę solarną i pada na płytkę absorbera. Zaabsorbowane ciepło jest transportowane przez przewody z cieczą przewodzącą ciepło do wymiennika ciepła w zasobniku solarnym. Wszystkie wymienione elementy znajdują się w szczelnej obudowie wypełnionej izolacją termiczną.

Kolektory płaskie na dachu domu jednorodzinnego, fot. sxc.hu

2. Kolektor próżniowy 

Różnica pomiędzy standardowym kolektorem płaskim, a płaskim próżniowym leży w próżni o wysokim ciśnieniu, umieszczonej w całej objętości kolektora. Oprócz tego posiada on także specjale wsporniki szybek solarnych, zabezpieczające je przed wygięciem na skutek wpływu próżni. Ogranicza ona straty ciepła na skutek przewodzenia, a także niemal całkowicie eliminuje straty wskutek konwekcji. Kolektor próżniowy posiada także pełną kontrolę zabezpieczenia obudowy kolektora przed napowietrzeniem.

3. Kolektor rurowy 

Absorber kolektora rurowego zawiera zamknięte z obu stron szklane rurki o średnicy 65-100 mm. Próżnia odgrywa rolę izolującą. Kolektor składa się z 6-30 rurek w rzędzie lub przewodu zbiorczego połączonych rurek. Kolektory rurowe dzielimy na kolektory z przepływem bezpośrednim czynnika solarnego i kolektory typu heat pipe.

W pierwszym przypadku ciekły nośnik ciepła przepływa bezpośrednio przez rurki próżniowe. Pośrodku powłoki kolektora znajduje się rura współosiowego wymiennika ciepła. W jej środku przepływa zimny, ciekły nośnik ciepła transportujący ciepło do absorbera, który przekazuje je nośnikowi ciepła poprzez rurę wymiennika ciepła. Następnie płynie ono z powrotem przez zewnętrzną rurę wymiennika ciepła.

W drugim przypadku pośrodku absorbera przymocowana jest rurka cieplna, wypełniona cieczą, która paruje już w niskich temperaturach. Kiedy promieniowanie słoneczne wpływa na kolektor, absorber prowadzi ciepło do rurki cieplnej, powodując parowanie znajdującej się w niej cieczy. W położonym powyżej kondensatorze para oddaje swoje ciepło za pomocą wymiennika ciepła dla ciekłego nośnika ciepła i ulega skraplaniu. Kondensat spływa poprzez rurkę cieplną na dół, po czym proces zaczyna się od nowa.

Kolektory próżniowo-rurowe, fot. NAVFAC/CC/Flickr

Który kolektor jest najlepszy?

Nie ma prostej odpowiedzi na to pytanie. Wszystko zależy od standardów oceny, branych przez nas pod uwagę, a także marki producenta kolektorów. Poniżej przedstawiamy zestawienie kliku przykładowych cech tych typów kolektorów:

W odniesieniu do powyższego zestawienia należy dodać kilka słów komentarza do każdego z parametrów:

1. Cena uwzględniona w tabeli jest wypadkową wynikającą z zestawienia losowych firm działających na polskim rynku kolektorów oraz ich oferty.
2. Maksymalną osiąganą sprawność kolektora należy rozważać pod kątem zestawienia z powierzchnią całkowitą (z naciskiem na powierzchnię apertury), a także warunkami klimatycznymi, tj. porą roku, kątem padania promieni słonecznych, itp.
3. Powierzchnia apertury poza technicznymi aspektami ważna jest również ze względu na to, że po wprowadzeniu nowych regulacji odnośnie kolektorów dopłaty do nich obowiązują właśnie względem powierzchni czynnej, nie zaś jak miało to wcześniej miejsce – całkowitej.
4. Moc maksymalna kolektorów badana jest w większości przypadków w ściśle sprecyzowanych warunkach laboratoryjnych i nie należy traktować jej jako stałą, obiektywną wartość.

Warto również pamiętać o następujących rzeczach:

a) płaskie kolektory próżniowe mają najmniejszy współczynnik utraty ciepła; posiadają stałą wydajność cieplną w całym okresie swojego funkcjonowania; istnieje możliwość wymiany gazu resztkowego (powietrza) na krypton, zwiększając tym samym ich wydajność; kurz nie dostaje się do środka kolektora, nie jest też zagrożony korozją wskutek skraplania się w jego wnętrzu wilgoci; niewłaściwa izolacja może spowodować, że powietrze dostanie się do próżni i konieczna będzie ponowna produkcja próżni

b) w kolektorach rurowych nawet mała wada podczas produkcji może skutkować niewłaściwą pracą kolektora i znacznie mniejszą jego wydajnością; należy wspomnieć, że większość elementów tych kolektorów jest produkowana w Chinach

c) kolektory heat pipe muszą mieć przynajmniej 20-stopniowy kąt nachylenia, by umożliwić prawidłowe funkcjonowanie cieczy

d) kolektory płaskie są najlepszym wyborem, gdy żyjemy w trudnym klimacie (regularne burze, gradobicia, itp.)