Ćw. 25. Kolektor słoneczny - dodatek

Słońce stanowi dla nas źródło nieograniczonej ilości energii. Prostą metodą

wykorzystania tych zasobów jest konwersja promieniowania słonecznego na ciepło.

Ze względu na dystans, dzielący nasza planetę od Słońca, możliwe jest wykorzystanie tylko

niewielkiej części mocy promieniowania, które dociera do Ziemi. Fakt ten oraz czynniki

geograficzne i wpływ atmosfery sprawiają, iż w realiach Polskich, możemy notować

promieniowanie słoneczne na poziomie ok. 800W/m

2

(maksymalnie nawet do ok. 1000W).

Oczywiście najlepsze warunki panują latem, w bezchmurne dni. Zachmurzenie powoduje

rozproszenie promieniowania i znacznie redukuje jego natężenie, nawet do wartości poniżej

100W/m

2

. Położenie geograficzne wpływa także na długość dnia, a co za tym idzie czas,

w jakim w ciągu doby możemy efektywnie wykorzystywać nasze kolektory. Warto

wspomnieć, iż najwyższą sprawność pracy urządzenia osiągniemy, kiedy zapewnimy

odpowiedni kąt padania promieni słonecznych – jest to 90˚.

Kolektory słoneczne znajdują zastosowanie przede wszystkim w układach

wspomagania i samodzielnego przygotowania ciepłej wody użytkowej. Rzadziej

współpracują z niskotemperaturowymi systemami ogrzewania. Spotykane są także aplikacje,

pozwalające m.in. na utrzymanie pożądanej, minimalnej temperatury wody w basenach.

System kolektorów w połączeniu ze zbiornikiem, wyposażonym w dwie wężownice

(tzw. zbiornik „biwalentny”) gwarantuje znaczne oszczędności energii na przygotowanie

c.w.u. W czasie efektywnej pracy kolektora słonecznego, zbiornik c.w.u. jest zasilany jedynie

przez to urządzenie, a podstawowa jednostka grzewcza (np. kocioł c.o.) nie jest

wykorzystywana.

W okresie letnim, efektywność pracy systemu opartego na kolektorach wzrasta tak

bardzo, iż zagospodarowanie zmagazynowanej ilości energii promieniowania słonecznego

może urastać wręcz do rangi problemu.

Ogólna klasyfikacja kolektorów słonecznych może opierać się na różnorodnych

kryteriach. W praktyce, w typowych aplikacjach, związanych z przygotowaniem ciepłej wody

użytkowej i niskotemperaturowymi systemami ogrzewania, wyróżnia się kolektory płaskie

(wśród nich spotykane są rozwiązania cieczowe, gazowe i dwufazowe), płaskie – próżniowe

oraz rurowo – próżniowe, często nazywane po prostu kolektorami próżniowymi. Podejmując

kwestię klasyfikacji różnych kolektorów bardziej szczegółowo, możemy oprzeć się na

poniższych metodach podziału, ze względu na:

 Czynnik przewodzący ciepło – cieczowe i powietrzne:

- cieczowe: płaskie, próżniowe, magazynujące, elastyczne

- płaskie: płaskie, o powierzchni rozwiniętej, porowate, nadciśnieniowe (foliowe)

Ćw. 25. Kolektor słoneczny - dodatek

 Drogę przepływu powietrza:

- kolektory z przepływem ciepła pod absorberem,

- kolektory z przepływem ciepła nad absorberem,

- kolektory z przepływem ciepła nad i pod absorberem;

Kolektory płaskie (Rys. 1.)

W porównaniu do kolektorów rurowo – próżniowych, są to urządzenia o budowie

prostszej. Szczegóły techniczne różnią się w zależności od producenta. Rurki miedziane

połączone są z absorberem za pomocą spoin. Istnieje kilka sposobów ułożenia rurek pod

absorberem. Najpopularniejszy nosi nazwę „harfy” – w tym przypadku kilkanaście rurek

biegnie równolegle. Inne stosowane rozwiązanie to meandra. W tym przypadku rozkład

temperatur na powierzchni absorbera jest bardziej równomierny.

Absorber, pokryty omówioną wcześniej powłoką selektywną, może być zaopatrzony

dodatkowo w warstwę przeciwodbiciową. Dobrej jakości szkło antyrefleksyjne powinno

charakteryzować się odbiciem promieniowania słonecznego rzędu kilku procent. Szyba

pryzmatyczna, dodatkowo zwiększa wydajność konwersji energii, a ponadto wpływa

pozytywnie na estetykę urządzenia. Oczywiście zewnętrzna szyba zawsze stanowi barierę

zabezpieczającą.

Za nadanie wymaganych własności mechanicznych odpowiada również obudowa,

wykonana przeważnie z aluminium. Kolektory płaskie charakteryzują się zwartą konstrukcją,

w postaci prostokątnych płyt.

Rys. 1. Kolektor cieczowy płaski

Ćw. 25. Kolektor słoneczny - dodatek

Kolektory rurowe – próżniowe

Forma geometryczna tego typu kolektorów ma ścisły związek z zastosowaną techniką

izolacji termicznej. Barierę przeciwdziałającą utracie ciepła jest tu próżnia (właściwie

wykorzystanie podciśnienia wewnątrz rury). Rurowy kształt poszczególnych modułów,

wchodzących w skład kolektora wynika z faktu, iż właśnie taka postać ułatwia zachowanie

szczelności, a więc odpowiedniego podciśnienia wewnątrz rur.

Tuby próżniowe zbudowane są z dwóch szklanych rur, wsuniętych centrycznie w

siebie (Rys.2., Rys.3.). Wewnętrzną rurę, przez która przepływa medium, pokrywa się

warstwą absorpcyjną

Stosuje się też rozwiązanie, polegające na umieszczeniu dopiero w wewnętrznej rurze rurek z

medium. Zapewnia to jeszcze lepszą izolacje, ale technologicznie jest bardziej

skomplikowane. Zewnętrzna osłona musi być odporna na czynniki mechaniczne.

Zaletą kolektorów rurowo – próżniowych jest fakt, iż w przypadku wielu produktów,

możliwe jest obracanie rurek kolektora, co znacznie ułatwia ich optymalne ustawienie

względem Słońca. Nowoczesne kolektory rurowe, dzięki zastosowaniu nowej konstrukcji

rurki cieplnej (ang. Heat pipe) o stałej średnicy wewnętrznej, mogą być położone nawet

bezpośrednio na płaskim dachu, lub zamocowane na pionowej elewacji budynku.

Rys. 2. Kolektor cieczowo – próżniowy.

Ćw. 25. Kolektor słoneczny - dodatek

Rys. 3. Kolektor cieczowo – próżniowy – cd.

Zdefiniowanie bilansu energii dla absorbera kolektora (Rys. 4.) jest podstawą

do prowadzenia dalszych obliczeń, związanych z podstawowymi parametrami pracy

urządzenia.

Rys. 4. Bilans energii dla absorbera.