Kolektory słoneczne już na dobre ugruntowały swoją pozycję na rynku polskim. To urządzenia, które stają się standardem w budynkach mających spełniać tak pożądane kryterium oszczędnej eksploatacji i coraz mniej kojarzą się z technologią dostępną dla nielicznych.

Zastosowanie kolektorów słonecznych w Polsce z pewnością będzie dynamicznie rosło, przede wszystkim ze względu na stały wzrost cen paliw i energii oraz zwiększającą się w społeczeństwie świadomość konieczności zmniejszania zapotrzebowania na ciepło budynków. W przypadku energetyki słonecznej widoczna jest analogia do techniki kondensacyjnej, która w latach 90. ubiegłego wieku również stanowiła margines rynkowy, a obecnie jest to 23% w segmencie kotłów wiszących (w roku 2012 przewidywany wzrost do ponad 60%). Jak każda nowa technologia, energetyka słoneczna z fazy drogich jednostkowych rozwiązań przeszła w fazę upowszechniania się – powierzchnia rocznie instalowanych kolektorów słonecznych w ciągu ostatnich 10 lat w Polsce wzrosła ponad 12-krotnie.

 

Przekrój kolektora słonecznego płaskiegoMożna szacować, że rocznie 15 tys. budynków w Polsce zaopatrywanych jest w instalację solarną. Nasycenie rynku polskiego w porównaniu z innymi krajami jest przy tym nadal śladowe – na każdy tysiąc mieszkańców przypada około 8 m2 pracujących kolektorów słonecznych, podczas gdy w Austrii jest to blisko 300 m2/1000 os., w Niemczech zaś 130 m2/1000 os. Perspektywy rozwoju rynku są jednak bardzo dobre. Kolektory słoneczne są przede wszystkim wykorzystywane do podgrzewania ciepłej wody użytkowej – w Polsce instalacje tego typu stanowią ponad 90% rynku. Ze względu jednak na rosnące standardy energooszczędności budynków, zmieniają się też oczekiwania mieszkańców co do komfortu cieplnego nie tylko w tradycyjnym okresie grzewczym. Zauważalny jest wzrost zainteresowania instalacjami solarnymi dodatkowo wspomagającymi centralne ogrzewanie. W Polsce jest to obecnie około 5% instalacji solarnych, a dla porównania: w Niemczech – 25%, Austrii – 40%, Szwajcarii – 50%, w Szwecji nawet – 70%. Kolektory słoneczne z powodzeniem są stosowane do podgrzewania wody basenowej i stosunkowo od niedawna w ciekawych i obiecujących, jeszcze jednak kosztownych, systemach wytwarzania chłodu dla potrzeb klimatyzacji, głównie w dużych obiektach biurowych (fot. 2). Dla takich potrzeb stosowane są głównie kolektory próżniowe lub płaskie przeszklone szybą antyrefleksyjną zew względu na konieczność uzyskiwania temperatury czynnika grzewczego na poziomie 90oC.

Zasada działania kolektorów słonecznych stosowanych w naszych warunkach klimatycznych nie uległa zmianie od początku lat 70., gdy pojawiły się one na rynku. Kolektory słoneczne są stosunkowo prostymi konstrukcyjnie urządzeniami grzewczymi. Zdecydowanie mniej złożona jest ich budowa w porównaniu chociażby z kotłem grzewczym, zwłaszcza wiszącym. Jednak warunki pracy kolektorów słonecznych są znacznie trudniejsze, głównie ze względu na zmienne warunki pogodowe oraz eksploatacyjne, występujące w nich znacznie wyższe, a także niższe ujemne temperatury robocze niż w typowych kotłach grzewczych. Kolektory słoneczne płaskie zbudowane są z izolowanej cieplnie obudowy, w której umieszczony jest absorber, czyli płyta wykonana najczęściej z miedzi lub aluminium, pokryta warstwą pochłaniającą (czyli absorbującą) promieniowanie słoneczne. Do płyty przymocowane są przewody, w których płynie czynnik grzewczy niezamarzający (glikol), odbierający wytwarzane ciepło (rys. 1). Duże znaczenie w pracy kolektorów słonecznych ma prowadzenie przewodów czynnika grzewczego przy absorberze. Stosowane są dwa podstawowe rodzaje układu przewodów – meandrowy (wężownica) oraz harfowy (rys. 2).

Dla zapewnienia równomiernego przepływu czynnika przez kolektory słoneczne pracujące w jednej baterii, korzystnym rozwiązaniem są kolektory z przepływem meandrowym (rys. 3). Kontakt czynnika grzewczego jest wydłużony z absorberem podczas jego przepływu w wężownicy, a opory przepływu wężownicy (rzędu 3÷5 kPa) znacznie przewyższają opory przepływu na poziomych przewodach zbiorczych kolektorów słonecznych. Odległość kolektora od wejścia i wyjścia czynnika grzewczego odgrywa w tym przypadku znikomą rolę. W przypadku kolektorów harfowych, gdzie stosowane są równoległe do siebie przewody, natężenie przepływu czynnika grzewczego będzie większe w najbliższych przewodach (najmniejsze opory przepływu rzędu 200÷400 Pa). W ostatnich kolektorach przepływ jest niższy i możliwy jest brak odbioru ciepła. Wskazane jest więc naprzeciwległe wpięcie przewodów do baterii kolektorów harfowych, przy czym wydłuża to długość przewodów, co wpływa na wzrost kosztów inwestycji i wzrost strat ciepła w instalacji solarnej. Im większa jest bateria kolektorów słonecznych, tym bardziej ważne jest to zagadnienie. Równomierny przepływ czynnika grzewczego przez wszystkie kolektory słoneczne gwarantuje pełne wykorzystanie wytwarzanego w nich ciepła.

Decydujące znaczenie dla zapewnienia kolektorowi słonecznemu wysokiej i niezmiennej sprawności pracy podczas wieloletniej eksploatacji odgrywa absorber. Głównie chodzi tu o matowe pokrycie, które narażone jest na niskie ujemne i wysokie temperatury pracy (nawet do 300oC). Zjawisko tzw. starzenia się warstwy absorpcyjnej polega na zmniejszaniu się zdolność do pochłaniania promieniowania słonecznego. W przypadku złej jakości warstwy wystarczy nawet kilka lat pracy, po których znacznie może się obniżyć sprawność kolektora. Stosowane obecnie warstwy o dobrych właściwościach wykonywane są najczęściej na bazie tlenków tytanu lub czarnego chromu. Warstwy na bazie tlenków tytanu poza bardzo dobrymi właściwościami pochłaniania promieniowania słonecznego mają tą zaletę, że ich produkcja wymaga wielokrotnie niższych nakładów energii, a sam proces produkcji odbywa się bez galwanizacji w komorach próżniowych przy wielokrotnie niższym obciążeniu środowiska naturalnego.

Ireneusz Jeleń
Viessmann

Czytaj całość w GlobEnergia 6/2011

okładka globenergia 6-2011Image37