Kolektory słoneczne - zestawienie najważniejszych faktów

Tematy w skrócie

Podstawowa zasada i rodzaje
Planowanie i instalacja
Wyjście
Zabezpieczenie przed przegrzaniem

Kolektory słoneczne stanowią rdzeń instalacji solarnej. Jak sama nazwa wskazuje, zbierają one promienie słoneczne. Następnie przekształcają je w ciepło użytkowe, które może być wykorzystane do ogrzewania ciepłej wody użytkowej lub jako wspomaganie centralnego ogrzewania w domu. Pomaga to zaoszczędzić na kosztach energii i przyczynia się do zmniejszenia emisji CO₂ do atmosfery w wyniku spalania paliw kopalnych.

Podstawowa zasada działania i typy

Pomijając kilka specjalnych rozwiązań technicznych, kolektory stosowane głównie w Niemczech to takie, które zawierają krążący w obiegu nośnik ciepła. Czynnik ten składa się z reguły z mieszaniny wody i glikolu niezamarzającego. Czynnik ten znajduje się w rurze. W zależności od sposobu montażu rozróżnia się kolektory rurowe i płaskie. Wspólne dla obu jest jednak to, że absorber przetwarza promieniowanie słoneczne na ciepło. Czynnik przekazujący ciepło odbiera je i odprowadza od kolektora. Proces ten jest taki sam w każdym kolektorze.

Próżniowe kolektory rurowe - zasada działania Heat pipe

W kolektorach rurowych absorber osadzony jest w szklanej rurze, która znajduje się pod ciśnieniem próżniowym (ewakuowana), podobnie jak kolba Thermosa. Próżnia ma bardzo dobre właściwości termoizolacyjne i zapewnia zmniejszenie strat ciepła. Jest to szczególnie korzystne w przypadku wysokich temperatur kolektora, czyli w warunkach pracy typowych dla solarnego wspomagania ogrzewania.

Ogólnie rzecz biorąc, kolektory rurowe można rozróżnić w zależności od ich konstrukcji: w próżniowych kolektorach rurowych z przepływem bezpośrednim, czynnik przekazujący ciepło krąży przez rury absorbera, które są ułożone wewnątrz rur. W systemach rurowych nośnik ciepła nie przepływa przez rury. Zamiast tego czynnik (zwykle woda) odparowuje w rurze miedzianej poniżej absorbera. Para wodna skrapla się w trafnie nazwanym skraplaczu na górnym końcu rur - to właśnie tam energia przekazywana jest do nośnika ciepła w kolektorze. Zaletą kolektorów heat pipe jest niezawodne odbieranie ciepła.

Viessmann oferuje następujące kolektory próżniowe oparte na zasadzie heat pipe:

Vitosol 300-TM
Vitosol 200-TM

Kolektory płaskie - rury meandrujące

W kolektorach płaskich absorber jest zwykle chroniony przed żywiołami przez obudowę z powlekanej blachy stalowej, aluminium lub stali nierdzewnej oraz przednią pokrywę z niskożelaznego szkła solarnego. Powłoka antyrefleksyjna (AR) na szkle może dodatkowo zmniejszyć odbicie światła. Izolacja termiczna obudowy kolektora zmniejsza straty ciepła.

Rura absorbera jest ułożona meandrycznie, co zapewnia pewny przepływ przez kolektor. Rura absorbera jest spawana również na zakrętach, co zapewnia optymalne przekazywanie ciepła aż do krawędzi. Płyta podłogowa jest połączona na całym obwodzie z ramą kolektora. Uszczelka szyby jest bezszwowa i wykonana z elastycznego, odpornego na warunki atmosferyczne i promieniowanie UV materiału uszczelniającego.

Viessmann oferuje następujące produkty:

Właściwe planowanie i montaż

Ze względu na różnorodność konstrukcji, kolektory słoneczne można zainstalować w prawie każdej koncepcji budynku, zarówno w nowym budownictwie, jak i w projektach modernizacyjnych, na budynku lub w jego pobliżu. W zależności od potrzeb można je montować na dachach skośnych, płaskich, na ścianach, a także jako wolnostojące na ziemi. W każdym przypadku kolektor i montaż tworzą jedną statyczną całość. Viessmann oferuje w ramach swojego programu standardowego w pełni sprawdzone pod względem nośności systemy dla wszystkich konwencjonalnych typów dachów i odpowiednie dla wszystkich kolektorów - zapewnia to większą niezawodność i spokój w fazie planowania i montażu.

Nachylenie i orientacja kolektorów mają kluczowe znaczenie

Ilość energii, która jest dostępna do wytworzenia ciepła jest największa, gdy promieniowanie uderza w powierzchnię kolektora pod kątem prostym. W naszej szerokości geograficznej nie da się tego osiągnąć przy poziomej powierzchni. Powierzchnia kolektora może być jednak odpowiednio nachylona. Ponadto orientacja decyduje również o prawidłowym wykorzystaniu energii słonecznej. Na półkuli północnej idealna jest orientacja w kierunku południowym.

Widok planu sytuacyjnego z zaciemnieniem

Graficzne przedstawienie powyższej instalacji dachowej kolektorów słonecznych

Instalacja nad dachem

Graficzne przedstawienie integracji kolektorów słonecznych na dachu

Charakterystyka wydajności - co jest ważne?

Kluczową wartością, na którą należy zwrócić uwagę przed zakupem instalacji solarnej, jest sprawność kolektorów. Wartość ta reprezentuje część promieniowania słonecznego, która jest przekształcana w użytkową energię cieplną. Wartość ta jest określana zgodnie z normą europejską EN 12975 i można ją znaleźć w kartach katalogowych urządzeń.

Przy obliczaniu sprawności kolektorów słonecznych uwzględnia się również przepływy energii i straty ciepła. Oznacza to, że nie całe światło docierające do powierzchni może być wykorzystane do wytworzenia ciepła (straty optyczne). Ponadto niewielka część ciepła wytworzonego przez kolektory jest również tracona (termiczne straty ciepła).

Graficzne przedstawienie przepływów energii w kolektorze

Przepływ energii w kolektorze: A Napromieniowanie na kolektorze E Absorber ogrzany przez promieniowanie

Straty optyczne: B Odbicie na szybie C Absorpcja na szybie D Odbicie na absorberze

Straty termiczne: F Przewodzenie ciepła przez materiał kolektora G Promieniowanie cieplne absorbera H Konwekcja

Ochrona przed przegrzaniem z automatycznym wyłączeniem zależnym od temperatury ThermProtect

Jeśli z kolektora nie jest pobierane ciepło (ponieważ pompa jest w stanie spoczynku, a czynnik grzewczy nie krąży), kolektor nagrzewa się do tzw. temperatury stagnacji. Ryzyko przegrzania rośnie wraz ze wzrostem różnicy temperatur względem otoczenia. Temperatura stagnacji wynosząca 200 i więcej stopni Celsjusza prowadzi do niepożądanych skutków. W takim przypadku następuje gwałtowne odparowanie czynnika solarnego i jego szerokie rozprężenie w obiegu solarnym. Powstałe w ten sposób duże obciążenie termiczne elementów i samego medium przenoszącego ciepło spowoduje wówczas uszkodzenia.

Sprawności charakterystyczne: ryzyko przegrzania rośnie wraz ze wzrostem różnicy temperatur do otoczenia. Tu z pomocą przychodzą kolektory z zabezpieczeniem przed przegrzaniem.

ThermProtect i zasada rurki cieplnej dla ochrony przed przegrzaniem

Firma Viessmann przeciwdziała temu zjawisku stosując specjalną powłokę absorbera - ThermProtect. W ramach tego procesu absorber w miarę nagrzewania się wypromieniowuje coraz więcej ciepła. Zwiększa to straty ciepła kolektora, a jednocześnie temperatura kolektora wzrasta tylko nieznacznie, a temperatura stagnacji pozostaje znacznie poniżej zwykłych wartości. Jak to dokładnie działa?

ThermProtect zmienia strukturę krystaliczną kolektorów płaskich. W temperaturze 75 stopni Celsjusza zmieniają się również właściwości optyczne. Oznacza to, że wewnętrzne temperatury kolektorów nie mogą wzrosnąć powyżej 145 stopni Celsjusza. Przy ponownym spadku temperatur struktura kryształu wraca do stanu pierwotnego.

I odwrotnie, w przypadku kolektorów próżniowych, zasada działania rurki cieplnej jest wykorzystywana do ochrony systemu przed przegrzaniem. Jeśli promieniowanie słoneczne jest zbyt wysokie i wymiana ciepła zaczyna się zmniejszać, następuje stopniowe, zależne od temperatury wyłączenie. Blokuje to kondensację na wymienniku ciepła. Czynnik grzewczy nie może się już skraplać, a ciepło nie jest transportowane. Wymiana ciepła zostaje wznowiona dopiero po obniżeniu temperatury wewnątrz obiegu solarnego.