Wstêp do techniki solarnej

Wprowadzenie

Możliwość wyczerpania się zapasów paliw kopalnych oraz obawy o stan środowiska

naturalnego człowieka znacznie zwiększyły zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii
i w konsekwencji doprowadziły do dużego wzrostu ich zastosowań w wielu krajach.

Niewyczerpalnym i czystym ekologicznie źródłem energii jest m.in. energia promieniowania

słonecznego, a najprostszym urządzeniem do jej praktycznego wykorzystania jest kolektor słoneczny.
W przeciwieństwie do tradycyjnej energetyki, polegającej na spalaniu kopalin, energia słoneczna jest
powszechnie dostępna, dlatego najefektywniej może być wykorzystana lokalnie, w sposób
zdecentralizowany w miejscu, gdzie występuje zapotrzebowanie na ciepłą wodę, a w okresach
przejściowych na dogrzewanie budynków mieszkalnych. Modelem, do którego należy zmierzać, są
tysiące małych instalacji słonecznych u prywatnych użytkowników oraz większe instalacje
w budynkach wielorodzinnych.

Prawidłowo zaprojektowane i wykonane instalacje solarne mogą pokrywać 50 do 60%

rocznego zapotrzebowania na energię cieplną dla podgrzania ciepłej wody użytkowej (CWU).

Promieniowanie słoneczne

W płaskich kolektorach słonecznych o możliwości przetwarzania energii promieniowania

słonecznego na ciepło użyteczne decyduje promieniowanie całkowite dochodzące ze wszystkich
kierunków półsfery. Na promieniowanie całkowite składa się promieniowanie bezpośrednie o długości
fali zawierające się w przedziale 0,30 – 2,5 μm oraz długofalowe promieniowanie rozproszone
(dyfuzyjne) powstałe w wyniku załamania, odbicia i częściowego pochłaniania promieniowania
bezpośredniego w atmosferze ziemskiej.

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Miesiące

Napromieniowanie s

łoneczne w Wh/m

Promieniowanie bezpośrednie
Promieniowanie rozproszone

Promieniowanie całkowite w naszych szerokościach geograficznych i optymalnych

warunkach (bezchmurne, czyste niebo, godziny południowe) wynosi max. 1000 W/m

Przy pomocy kolektorów słonecznych w zależności od typu, można wykorzystać około 70%

promieniowania całkowitego.

Wykorzystanie energii słonecznej przez kolektory

Uzyskana przez kolektor energia użytkowa zależy od wielu czynników. Istotny praktyczny

wpływ ma całkowita, będąca do dyspozycji, energia słoneczna, której wartość w zależności od rejonu
Polski wynosi w skali roku od 850 kWh/m

do 1100 kWh/m

. Ważną rolę odgrywa także typ

kolektora oraz jego pochylenie i ukierunkowanie. Dla uzyskania optymalnego odbierania energii przez
kolektory, konieczne jest ich ustawienie w kierunku do słońca. Kąt pochylenia α oraz azymut są
wielkościami dla ustawienia kolektora.

Bilans mocy promieniowania słonecznego – warunki optymalne

Max. moc użytkowa
kolektora

Bezpośrednie promieniowanie słoneczne

Straty rozproszenia

Straty absorbcji 0,3 kW/m

w atmosferze ziemskiej

Stała słoneczna 1,4

kW/m

Promieniowanie rozproszone 0,1 kW/m

Promieniowanie całkowite 1,0 kW/m

Straty kolektora 0,3 kW/m

Pow. Ziemi

Kosmos

Promieniowanie bezpośrednie

i rozproszone w różnych porach roku

Optymalny kąt pochylenia zależy od okresu ekspozycji kolektora, który zimą powinien

wynosić 60

, a latem 30

. W praktyce jako zalecany przyjmuje się kąt pochylenia około 45

. Drugim

parametrem dla ustawienia kolektora jest azymut, który nie powinien odbiegać od 0

(kierunek

południowy). Nie zawsze jest to możliwe, dlatego dopuszcza się odchylenie od kierunku
południowego do 45

Dane techniczne i budowa kolektora słonecznego

Zakład Metalowo - Elektryczny ,,Aparel” produkuje kolektory w wersji pionowej i poziomej,

których obudowę stanowi rama z kształtowników aluminiowych bądź wanna z blachy aluminiowej.

Kolektor pionowy

Kolektor poziomy

Dane techniczne

Wersja Pionowy

Poziomy

Oznaczenie KSC-AE/200S-A1

KSC-AE/200S-A2

KSC-AE/200S-B1

KSC-AE/200S-B2

Powierzchnia kolektora

1,95 m

1,92

1,95

1,92

Powierzchnia absorbera

1,73 m

1,73

Długość [A]

1967 mm

1953 mm

987 mm

981 mm

Szerokość [B]

987 mm

981 mm

1967 mm

1953 mm

Wymiary

Wysokość [H]

107 mm

104 mm

107 mm

104 mm

Objętość płynu w kolektorze

~ 0,9 l

~ 1,0 l

Obudowa

rama AL

wanna AL

rama AL

wanna AL

Pokrycie absorbera

selektywne – czarny chrom

Współ. absorpcji

α > 0,96

Współ. emisji

ε < 0,10

Temperatura pracy

100

Dop. tem. bez cyrkulacji

180

Max. ciśnienie robocze

10 bar

Ciężar

40 kg

39 kg

40 kg

39 kg

Izolacja

30 mm PU,

30 mm wełny

60 mm wełny

30 mm PU,

30 mm wełny

60 mm wełny

Pokrywa kolektora

szkło hartowane o grubości 4 mm

Budowa kolektora

Ponad 10-letnie doświadczenie w dziedzinie produkcji kolektorów płaskich pozwoliło firmie

,,Aparel” wypracować taką konstrukcję kolektora, która zapewnia dużą trwałość i wydajność
energetyczną. Aktualnie produkowane są dwie wersje kolektora: pionowy KSC-AE/200S-A i poziomy
KSC-AE/200S-B. Głównym elementem kolektora jest absorber zbudowany z elementów miedzianych
obustronnie niklowanych a od strony czynnej pokrytych galwanicznie wysokoselektywną warstwą
czarnego chromu, która gwarantuje dużą absorpcję promieniowania słonecznego i niewielkie
wypromieniowanie ciepła. Zostało to potwierdzone badaniami Instytutu w Rapperswil Szwajcaria.

Współczynnik absorpcji (AM 1,5) α

sol

= 0,960

Współczynnik emisji (100

C) ε

373K

= 0,098

Dla odbioru pozyskanego ciepła zastosowano w absorberze wężownicę z równolegle

biegnącymi rurkami miedzianymi, przez które przepływa czynnik grzewczy. Stosowany w naszych
absorberach sposób łączenia płytki z rurką miedzianą zapewnia bardzo dobry ich kontakt na całym
obwodzie przez co uzyskuje się maksymalne przejmowanie ciepła przez czynnik grzewczy.

Absorber otoczony jest obudową wykonaną w postaci ramy z kształtowników aluminiowych

bądź wanny z blachy aluminiowej. Dobra izolacja kolektora minimalizuje straty ciepła z kolektora do
otoczenia. Całość przykryta jest osłoną wykonaną z hartowanego szkła o małej zawartości żelaza
przez co zmniejszane są straty odbicia.

1. Rama.
2. Płyta izolacyjna PUR.
3. Izolacja

wełny mineralnej.

4. Izolacja boczna z wełny mineralnej.
5. Absorber.
6. Szyba.
7. Kształtownik mocujący szybę.
8. Uszczelka.
9. Uszczelka

szyby.

Przekrój kolektora słonecznego

Sprawność kolektora KSC-AE/200S

Podstawę oceny właściwości cieplnych kolektora stanowi charakterystyka sprawności, która

jest wyznaczana wg procedur określonych normą ISO 9800-2.

Sprawność przy I = 800 W/m

0,2

0,4

0,6

0,8

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

x [m

K/W]

[%]

Współczynnik Wartość

[-] 0,767

[W/m

K] 3,17

[W/m

K] 0,0166

x = (T

– T

) / I

Sprawność kolektora słonecznego definiowana jest jako iloraz energii cieplnej pozyskanej

przez medium grzewcze do napromieniowania powierzchni kolektora w jednostce czasu.
Wielkościami opisującymi charakterystykę sprawności kolektora jest sprawność optyczna η

, która

odpowiada sytuacji kiedy różnica temperatury w kolektorze (T

) i temperatury otoczenia (T

) wynosi

zero oraz jej pochylenie, które jest miarą strat cieplnych kolektora. O sprawności kolektora decydują
jego parametry konstrukcyjne jak i warunki w jakich jest eksploatowany.

Elementy składowe instalacji i ich dobór

Elementy instalacji

Podstawowym elementem instalacji solarnej są kolektory słoneczne, montowane najczęściej

na dachach budynków mieszkalnych lub gospodarczych najlepiej bezpośrednio nad punktami rozbioru
wody (łazienka, kuchnia itp.). Ogranicza się w ten sposób długość rur łączących i zmniejsza straty
energii cieplnej.

Montaż kolektorów na dachach wykonywany jest poprzez zabudowanie w połać dachu lub

umieszczenie na specjalnych konstrukcjach wsporczych.

Elementy składowe instalacji solarnych łączy się za pomocą rurociągów wykonanych

najczęściej z rur miedzianych. Stosowanie rur miedzianych w instalacjach wodnych praktycznie
rozwiązuje problem trwałości. Łączenie ich wykonuje się przez lutowanie miękkim lutem cynowym,
a dla większych średnic twardym lutem srebrnym. Wszystkie rurociągi powinny być izolowane
materiałami o przewodności cieplnej 0,03 – 0,04 W/mk i odporności na temperaturę powyżej 100

Do wymuszenia obiegu medium w instalacjach cieczowych wykorzystuje się pompy napędzane
elektrycznie, takie same jak w instalacjach centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej. Zakres
wydajności czynnika i spadków ciśnienia w instalacjach solarnych jest raczej niewielki, toteż dobór
wielkości pompy obiegowej nie stanowi problemu.

Po to aby energia słoneczna dostępna tylko w ciągu dnia i to z losową zmiennością mogła być

efektywnie zagospodarowana w systemie grzewczym, musi być akumulowana. Do tego celu służą
akumulacyjne zbiorniki wodne z izolacją termiczną wykonaną z pianki poliuretanowej albo wełny
mineralnej o grubości 55 do 75 mm, zaopatrzone w rurowe, bądź płaszczowe wymienniki ciepła.
W rozbudowanych instalacjach zbudowanych z kilkunastu i więcej kolektorów stosuje się wymienniki
samodzielne. Mają one konstrukcję płytową bądź płaszczowo-rurową.

Instalacje solarne z pośrednim obiegiem kolektorowym wyposaża się w armaturę typową dla

instalacji ciepłej wody użytkowej i centralnego ogrzewania. Przed nadmiernym ciśnieniem
zabezpiecza instalację naczynie wzbiorcze i zawór bezpieczeństwa, natomiast odpowietrznik
zainstalowany w szczytowych fragmentach instalacji obiegu kolektorowego pozwala na dokładne jej
odpowietrzenie. Pomiędzy wylotem z kolektorów a zbiornikiem montowany jest zawór zwrotny, który
ma zapobiegać ewentualnej odwrotnej cyrkulacji ciepłej wody w godzinach nocnych.
Sterowanie

pracą solarnej instalacji grzewczej wymaga stosowania regulatorów

współpracujących z czujnikami temperatur i uruchamiających pompę cyrkulacyjną lub elektrozawory.

Solarne systemy przygotowania ciepłej wody

Najprostszą, a zarazem najtańszą instalacją do podgrzewania wody jest instalacja grawitacyjna

(termosyfonowa). W instalacjach grawitacyjnych przepływ czynnika odbywa się samoczynnie
wskutek unoszenia do góry cieplejszych mas (o mniejszej gęstości). Taki obieg nie wymaga
stosowania pompy obiegowej i układu automatycznego sterowania, przez co może pracować na
terenach pozbawionych zasilania elektrycznego. Bardziej uniwersalne cechy użytkowe mają instalacje
z wymuszonym obiegiem czynnika w układzie kolektory słoneczne – zbiornik akumulacyjny.
Instalacje te mogą podgrzewać wodę bezpośrednio albo pośrednio.

Stosując obieg bezpośredni ograniczamy eksploatację instalacji do ciepłej pory roku (kwiecień

– październik), a także narażamy absorber kolektora na przyśpieszone zużycie wskutek kontaktu
absorbera ze zwykłą wodą.

Wad tych nie mają instalacje z obiegiem wymuszonym pośrednim. Obieg czynnika

grzewczego uruchamia jednofazową pompę, której pracą steruje regulator różnicowy temperatur
w kolektorze i wody w zbiorniku.

W naszej strefie klimatycznej kolektory słoneczne mogą pokryć zapotrzebowanie na energię

do podgrzewania wody w około 60%, dlatego też instalacja solarna uzupełniana jest
konwencjonalnym segmentem grzewczym.

Spotkać można tutaj wersję ze wspólnym zbiornikiem akumulacyjnym, gdzie w dolnej części

umieszcza się wymiennik obiegu kolektorowego, a w górnej obiegu kotłowego lub grzałkę
elektryczną oraz wersję z osobnymi zbiornikami akumulacyjnymi.

1. Instalacja solarna - dogrzewanie grzałką elektryczną.

Instalacje takie stosuje się w budynkach, w których nie ma możliwości dogrzewania CWU za pomocą
pieca. Grzałka elektryczna współpracuje z automatyką systemu solarnego.

WZ – woda zimna
CWU – ciepła woda użytkowa
RL – powrót
VL – zasilanie
PB – punkt poboru CWU

A – kolektor słoneczny
B – zasobnik CWU z wymiennikiem
ciepła (wężownicą)
C – zestaw pompowy
D – sterownik elektroniczny
E – naczynie wzbiorcze
F – grzałka elektryczna
T – termometr

1 – czujnik kolektora
2 – czujnik zasobnika
3 – zawór zwrotny
4 – zawór bezpieczeństwa obiegu
solarnego
5 – zawór napełniający
6 – zawór spustowy
7 – zawór kulowy i odpowietrznik
8 – manometr

Dobór elementów instalacji

Ogrzewanie wody użytkowej

Przy projektowaniu małych instalacji doboru poszczególnych jej elementów można dokonać

posługując się uproszczonymi zależnościami.

Powierzchnia kolektorów jak i pojemność zbiornika ciepłej wody użytkowej zależy od ilości

osób i wielkości rozbioru. Dla rodziny złożonej z 4 osób przy rozbiorze CWU 70 litrów na osobę
otrzymamy całkowity rozbiór 280 litrów na dobę. Dobieramy zasobnik nieco większy o pojemności
300 litrów.

Odpowiednio powierzchnia kolektora wynosi 1,2 do 1,5 m

/osobę. Dla rodziny 4 osobowej

potrzeba około 5 m

powierzchni kolektora. Przyjmujemy 3 kolektory typu KSC-AE/200S

o powierzchni 5,19 m

Doboru pompy obiegowej i przeponowego naczynia wzbiorczego dokonujemy korzystając
z podstawowych zależności:

- pompa powinna być zdolna do pracy w zakresie temperatur wody od 0 do 100ºC;
- prędkość przepływu medium grzewczego winna zawierać się w przedziale 0,3 do 0,5 m/s,

a strumień przepływu od 60 do 120 l/h;

- spadek

ciśnienia w obiegu kolektorowym powinien wynosić 1,0 do 2,5 mbar/mb rury.

Przedstawionym warunkom odpowiadają pompy centralnego ogrzewania typu UPS.

Obieg solarny powinien być tak zabezpieczony, aby przy maksymalnej temperaturze obiegu

kolektorowego medium grzewcze nie zostało wyrzucone przez zawór bezpieczeństwa. Osiąga się to
poprzez odpowiedni dobór przeponowego naczynia wzbiorczego. Pojemność takiego naczynia
powinna odpowiadać w przybliżeniu pojemności obiegu pierwotnego, tj. sumy pojemności
kolektorów, rurociągu i wymiennika ciepła w zbiorniku akumulacyjnym.
Ponadto w układach solarnych należy stosować zawory bezpieczeństwa praktycznie na maksymalne
ciśnienie 6 bar.

Pokrycie zapotrzebowania na energię przez kolektory słoneczne dla omawianego
przykładu, tj. 4 osoby: 3 kolektory, zasobnik 300l.

Zakładając średnie, dobowe zużycie CWU na poziomie 50-75 l/osobę należy dobrać:

Ilość osób

Ilość kolektorów

Pojemność zasobnika

2-3

150l - 200l

4-5 3

300

6-8 5

500

Ogrzewanie wody w basenach

Coraz częściej kolektory słoneczne wykorzystuje się do podgrzewania wody w basenach

kąpielowych. Utrzymanie temperatury 23 - 24

C w okresie czerwiec–sierpień wymaga zainstalowania

0,8 – 0,9 m

kolektora na 1m

basenu bez osłony termicznej.

Dla basenów z osłoną termiczną wystarczy 0,4 – 0,6 m

kolektora na 1m

basenu.

Wspomaganie układu centralnego ogrzewania

Dogrzewanie pomieszczeń z zastosowaniem układu solarnego jest najbardziej wydajne

w okresach przejściowych (marzec-kwiecień, wrzesień-październik). Istotną rolę odgrywa tutaj
rodzaj zastosowanego systemu grzewczego. Kolektory słoneczne wykazują najwyższą wydajność
współpracując z ogrzewaniem niskotemperaturowym - podłogowym oraz ściennym.
Średnio przyjmuje się 1 m

kolektora słonecznego na 10 m

powierzchni ogrzewanej.

Całoroczny bilans energetyczny dla instalacji solarnej

3 kolektory i zasobnik CWU – 300 litrów

Ilość kolektorów

3 sztuki

Strefa klimatyczna

Region łódzki

Typ kolektora

APAREL KSC-AE/200S-A1

Powierzchnia kolektorów

5,19 m

Nachylenie 45

, kierunek geograficzny – południe 0

Typ instalacji

3 kolektory + zasobnik podgrzewany grzałką elektryczną

Zasobnik

300 litrów, temp.: min. 35

C/ max. 55

Ilość energii do podgrzania 300 litrów/dzień 13,3

kWh

Miesiąc

Uzysk energii

z kolektorów

[kWh]

Napromieniowanie

[kWh]

Energia

dodatkowa

[kWh]

Wydajność

[%]

Sprawność

[%]

Styczeń 56,2 137,1

364,2

13,3

41,0

Luty 97,7

255,7

285,3

25,6

38,2

Marzec 196,0

531,9

234,5

46,2

36,8

Kwiecień 287,3 729,3 159,0

69,7

39,4

Maj 357,1

853,7

116,6

83,8

41,8

Czerwiec 413,1 921,5 58,5

100,0

44,8

Lipiec 397,6

859,5

81,1

93,3

46,3

Sierpień 367,0 794,1

118,5

86,0

46,2

Wrzesień 254,2 570,6 185,2

61,7

44,6

Październik 145,5 329,4 278,3

34,4

44,2

Listopad 69,1 151,8

338,1

16,9

45,5

Grudzień 45,7 101,8

375,6

10,9

44,9

2686,5 6236,4 2594,9

53,8

43,1

100

[%]

Luty

Marzec

Maj

Czewiec

Lipiec

Listopad

Wydajność

Sprawność

Sterowniki instalacji solarnych firmy „Aparel”

Sterowniki elektroniczne stosowane w instalacjach solarnych zapewniają właściwą

i efektywną pracę systemu.
Standardowo posiadają dwa czujniki:

- czujnik temperatury obiegu solarnego umieszczony w kolektorze słonecznym,
- czujnik temperatury wody użytkowej umieszczony w zbiorniku akumulacyjnym.

Sterowniki systemu solarnego załączają pompę obiegu kolektorowego tylko wtedy, gdy

temperatura w kolektorze jest wyższa od temperatury w zasobniku CWU o nastawioną wartość. Gdy
różnica temperatur między kolektorem i zasobnikiem zmniejszy się do wartości nastawionej na
sterowniku, pompa zostaje wyłączona.

W celu zabezpieczenia instalacji CWU przed przegrzaniem w sterowniku nastawiana jest

temperatura maksymalna (T

max

), do której może być nagrzana woda w zbiorniku. Po osiągnięciu tej

temperatury sterownik wyłącza pompę cyrkulacyjną niezależnie od różnicy temperatur między
kolektorem i zbiornikiem. Po wyłączeniu pompy może dojść do wzrostu temperatury w kolektorze
powyżej 100

C co nie jest groźne przy właściwym doborze naczynia wzbiorczego, które przyjmuje

odparowany czynnik grzewczy z kolektorów. Po obniżeniu się temperatury w zbiorniku
akumulacyjnym poniżej T

max

i ostygnięciu kolektorów instalacja solarna wznawia pracę.

ZME „Aparel” produkuje kilka rodzajów sterowników, których zastosowanie zależy od budowy
i wymogów stawianych danej instalacji.

Zestawienie funkcji sterowników solarnego podgrzewania wody dostępnych w ZME „Aparel”

FUNKCJE STEROWNIKA

SPW - 0

SPW - 2

SPW - 3

Odczyt temperatury w kolektorze słonecznym

■

Odczyt temperatury w zasobniku CWU

■

Załączanie i wyłączanie pompy solarnej

■

Sygnalizacja załączenia i wyłączenia pompy solarnej

■

Możliwość ustawienia punktu włączenia
i wyłączenia pompy solarnej przez użytkownika

■

Załączanie i wyłączanie grzania konwencjonalnego

■

Sygnalizacja załączenia i wyłączenia grzania
konwencjonalnego

■

Programator czasowy (TIMER) do załączania
i wyłączania grzania konwencjonalnego w cyklu
tygodniowym

■

Wyłączanie pompy solarnej po przekroczeniu
maksymalnej temperatury wody w zasobniku CWU

■

Możliwość ustawienia maksymalnej temperatury wody
w zasobniku CWU

■

Sygnalizacja przekroczenia maksymalnej temperatury
wody w zasobniku CWU

■

Włączanie i wyłączanie pompy mieszającej
(układ z dwoma zasobnikami CWU)

■

Możliwość wyboru trybu pracy
(automatyczny, ręczny )

■

Legenda:

brak funkcji

■ dostępna funkcja

Lokalizacja , montaż i sposoby łączenia kolektorów KSC-AE/200S

Lokalizacja i montaż

Tak jak przedstawiono wcześniej, przy optymalnej lokalizacji, strona czynna kolektorów

słonecznych powinna być wystawiona na południe i pochylona w zależności od przewidywanego
okresu ich wykorzystywania od 30º do 60º, przy całorocznym około 45º. Bardzo ważnym jest wybór
miejsca niezacienionego przez drzewa i elementy budynków.
Przyszły użytkownik kolektorów słonecznych ma praktycznie trzy możliwości ich montażu:

- na dachu budynku,
- na

południowej ścianie budynku lub przy ścianie,

- na

ziemi.

Każdy z tych wariantów lokalizacji kolektora ma swoje wady i zalety. Najbardziej popularne jest
montowanie kolektorów na dachach budynków. Podstawową zaletą tego wariantu jest to, że kolektory
montowane na dachu nie zabierają dodatkowego miejsca i nie zacieniają budynku. Kąt pochylenia
połaci dachowej w większości przypadków nadaje się do bezpośredniego montowania kolektorów na
pokryciu dachowym. Na dachach płaskich kolektory montuje się na specjalnych konstrukcjach.
ZME „Aparel” oferuje własne oryginalne rozwiązania mocowań, uwzględniające większość
przypadków. Elementy mocowań zostały tak zaprojektowane, aby można było z nich zbudować
dowolną konstrukcję nośną. Szczegółowe informacje na temat konstrukcji nośnych zawarte są
w odrębnym katalogu mocowań.

Sterownik SPW-0

Sterownik SPW-2

Sterownik SPW-3