envelope redakcja@polskiinstalator.com.pl home ul. Wąski Jar 9
02-786 Warszawa

Advertisement











Rys.1 Przykładowa budowa płaskiego kolektora słonecznegoRozpoczynając cykl o doborze, montażu i konserwacji kolektorów słonecznych, sprawdźmy, czym różnią się urządzenia dostępne na naszym rynku i jaki ma to wpływ na ich właściwości użytkowe.

 

Kolektory płaskie

W Polsce udział kolektorów płaskich w sprzedaży stanowi około 70%. Są one tańsze niż kolektory próżniowe i choćby z tego względu chętniej kupowane. Znajdują zastosowanie jako urządzenia do wspomagania ogrzewania wody użytkowej, basenowej oraz do wspomagania ogrzewania pomieszczeń. Przeznaczone są zwykle do montażu na dachu lub w jego połaci. W przypadku większych powierzchniowo instalacji stosuje się również tzw. konstrukcje wolno stojące. Rysunek 1. (otwarcie) ilustruje przykładową budowę kolektora płaskiego. Urządzenia te składają się z:

  • warstwy absorbera; w Polsce najpopularniejsze są kolektory płaskie o powierzchni absorbera 2- ,5 m2; rodzaje absorberów i ich parametry pokazuje rys. 2;
  • tylnej płyty z blachy stalowej, aluminium lub stali szlachetnej;
  • ramy ze szkłem solarnym i izolacją cieplną; niektórzy producenci proponują też rozwiązanie oparte o rodzaj wanny zamiast osobnej ramy i blachy osłaniającej.

Zasadę działania kolektora płaskiego i rozkład energii przedstawia rys. 3 Obudowa kolektora powinna mieć jak najmniej połączeń, szczególnie w narożnikach, a także powinna być pozbawiona ostrych krawędzi. Pokrycie kolektora stanowi szyba solarna, a więc specjalna szyba hartowana, która zubożona jest w tlenki żelaza, co poprawia przepuszczalność promieni słonecznych. W bardziej zaawansowanych technologicznie modelach stosuje się tzw. powłokę antyrefleksyjną (zwykle określa się ją skrótem AR), która dodatkowo redukuje zjawi sko odbijania promieni słonecznych, wpływając na wyższą sprawność kolektora. Grubość szyby solarnej zawiera się między 3,2 a 4,0 [mm]. Jako izolację kolektora najczęściej stosuje się wełnę mineralną lub tzw. piankę twardą, a więc żel termiczny spieniony, który z uwagi na brak porów nie wiąże w sobie wilgoci i tym samym redukuje zjawisko parowania szyby kolektora. Przewodność cieplną poszczególnych materiałów izolacyjnych ilustruje wykres 4.
Wszystkie te komponenty mają za zadanie długotrwale chronić kolektor przed niesprzyjającymi czynnikami atmosferycznymi, a także redukować straty ciepła i… zapewnić wentylację wnętrza kolektora. Jest to konieczne ze względu na możliwość gromadzenia się wilgoci wewnątrz urządzenia.

k2   k3
2. Rodzaje absorberów i warstw selektywnych   3. Rozkład energii w termicznym kolektorze słonecznym

Kolektory próżniowe

Przemiana energii słonecznej w ciepło jest identyczna w kolektorach płaskich, jak i w próżniowych. Istotne różnice polegają na zastosowanej izolacji cieplnej. W kolektorach próżniowych absorber znajduje się wewnątrz rury szklanej, w której panuje tzw. głęboka próżnia. Zapewnia ona skuteczną izolację cieplną, a straty ciepła są mniejsze w kolektorach płaskich, szczególnie przy wysokich temperaturach, kiedy problemem jest rozgrzewanie się obudowy.
Kolektory próżniowe, rurowe dostępne są w dwóch rodzajach:

  • z przepływem bezpośrednim (rys.5),
  • typu HeatPipe (rys. 6).

Kolektory z przepływem bezpośrednim
Przepływ bezpośredni gwarantuje najwyższe sprawności optyczne z uwagi na – jak sama nazwa wskazuje – bezpośredni odbiór ciepła z kolektora. Jest jednak technologią, od której się odchodzi, a przyczyną tego stanu są przede wszystkim problemy eksploatacyjne związanie z procesem stagnacji. Z biegiem czasu pojawiają się zaburzenia w przepływie czynnika przez poszczególne rury i znacznie obniża się sprawność pracy kolektora. Nie bez znaczenia są również wyższe koszty wykonania instalacji z uwagi na wymaganą większą pojemność naczyń przeponowych oraz większą ilość czynnika solarnego, a także problemy związane z odpowietrzeniem układu w czasie jego napełniania.

k5
4. Przewodność cieplna materiałów izolacyjnych i próżni [W/mK]
 
k6   k7
5. Budowa kolektora próżniowego z przepływem bezpośrednim   6. Budowa kolektora próżniowego typu HeatPipe

 

Kolektory typu HeatPipe
Coraz więcej producentów oferuje zatem technologię HeatPipe (tzw. rurka cieplna), która ogranicza do minimum skutki występowania stagnacji, co gwarantuje prawidłową eksploatację kolektora przez dłuższy czas. Rura kolektora próżniowego typu HeatPipe to w zasadzie kolektor płaski z najlepszą możliwą izolacją, jaką stanowi tzw. głęboka próżnia. Rura ta jest hermetycznie zamknięta i sama w sobie stanowi kolektor próżniowy o niewielkiej powierzchni – połączenie poszczególnych rur w kolektorze zbiorczym tworzy baterię rur solarnych.
Absorber kolektora próżniowego typu HeatPipe jest wykonywany podobnie jak w kolektorze płaskim. Do niego przyspawana jest pojedyncza rura miedziana transportująca ciepło napełniona niewielką ilością wody zdemineralizowanej z dodatkami inhibitorów. Ilość wody jest zróżnicowana w zależności od producenta kolek tora, lecz zwykle ogranicza się do około 5 ml. Ciśnienie panujące wewnątrz rury jest na tyle niskie, że już przy temperaturze poniżej 30°C znajdująca się tam woda zaczyna wrzeć i przechodzić w parę. Ciepła para kieruje się samoczynnie do górnej części – tzw. kondensatora. W kolektorze zbiorczym kondensator ma kontakt (na sucho) z czynnikiem solarnym, któremu oddaje ciepło. Ponieważ rura miedziana jest prosta (średnica około 9 mm), woda może swobodnie wędrować w fazie gazowej oraz – po skropleniu – w fazie ciekłej. Zasadę działania kolektorów typu HeatPipe przedstawia rys. 7.

k8
7. Zasada działania kolektora typu HeatPipe
 
tebela1 kolektory
Tabela 1. Porównawcze wartości ciśnień

Rury solarne – trwałość i szczelność

W kolektorach próżniowych typu HeatPipe montowane są rury z pojedynczym lub podwójnym przeszkleniem (tzw. typ Sydney). To drugie rozwiązanie jest dość powszechne z uwagi na prostą budowę (w formie termosu) i tym samym niskie koszty produkcji. Jednak sprawność kolektora wyposażonego w takie rury, nawet optyczna, jest na bardzo niskim poziomie. Często stosowany zabieg montażu tzw. luster do skupiania promieni słonecznych nie sprawdza się w praktyce i przysparza większych problemów niż pożytku. Warstwa odbijająca matowieje i w krótkim czasie przestaje spełniać swoje zadanie. Jest też miejscem gromadzenia się zanieczyszczeń, a w zimie zalegania śniegu. Co najważniejsze, rury typu Sydney nie gwarantują utrzymania szczelności rury związanej z dyfuzją gazów.
Każda próżniowa rura solarna musi pozytywnie przejść test szczelności. W czasie testów szczelności nie stosuje się nadciśnienia lecz wysokie podciśnienie. Wartość ciśnienia próby wynosi 10-8 mbar (ciśnienie bezwzględne). Jeżeli rura solarna jest nieszczelna w tak niewielkim stopniu, że nie wykazały tego badania szczelności, to w najgorszym wypadku testowana rura przestanie gwarantować izolację termiczną dopiero po upływie prawie 32 lat! Warunkiem takiej gwarancji jest wykonanie testu szczelności z wykorzystaniem spektrometru. Przez szkło oraz metal mogą dyfundować małe atomy/cząsteczki wodoru (H2) oraz helu (He). Dyfundują one z otoczenia do wnętrza rury próżniowej. Dodatkowo, cząsteczki wodoru H2, związane w metalu (rura miedziana oraz absorber), także dyfundują do wnętrza rury – w tym przypadku ruch odbywa się w zasadzie wewnątrz rury pojedynczo przeszklonej, ale również stanowi zagrożenie dla utrzymania niskiego ciśnienia w jej wnętrzu. Dlatego też przed montażem absorbera, metal poddawany jest wygrzewaniu do temperatury około 600°C, którą utrzymuje się przez co najmniej 30 min. Wygrzewanie to powoduje usunięcie z metalu do 90% cząstek wodoru. Tym samym redukuje się do minimum ilość cząstek, które mogą w późniejszym czasie dyfundować do wnętrza gotowej już rury. Ponieważ niewielka liczba cząstek wodoru, które pozostały związane w metalu, adal może stanowić zagrożenie dla utrzymania głębokiej próżni, wewnątrz rury montuje się specjalne tabletki, tzw. gettery, zawierające bar – metal bardzo aktywny chemicznie, którego zadaniem jest wiązanie (adsorbowanie) gazów resztkowych, w tym cząstek wodoru H2 z wnętrza rury próżniowej.

Ważniejsze parametry opisujące kolektor

Należą do nich:

  • sprawność,
  • powierzchnia zewnętrzna kolektora, powierzchnia jego absorbera i powierzchnia apertury,
  • moc.
k10   k12
8. Wykres przedstawiający krzywe sprawności kolektorów słonecznych   10. Porównanie mocy użytecznej kolektorów osiąganej zależnie od różnicy temperatur między otoczeniem a absorberem

 

Sprawność kolektora
Jest zależna od ilości promieni słonecznych padających na aperturę powierzchni kolektora, która z kolei zamienia je na potrzebne ciepło. Jako aperturę powierzchni określa się powierzchnię kolektora, na którą pada słońce.
Sprawność działania kolektora jest między innymi zależna od rodzaju jego konstrukcji i użytych materiałów. Część napromieniowania słonecznego padającego na kolektor jest odbijana i absorbowana przez szybę kolektora. Z zależności między całkowitą wartością napromieniowania słonecznego padającego na kolektor a tą jego częścią, która została przetworzona przez absorber w ciepło, można wyliczyć sprawność kolektora.
Tzw. optyczny współczynnik sprawności, określany jako η0, jest sprawnością określoną przy warunkach zerowej różnicy temperatury między temperaturą czynnika solarnego a temperaturą otoczenia. Kiedy kolektor nagrzeje się dzięki promieniom słonecznym, oddaje część ciepła do otoczenia – przez izolację, promieniowanie cieplne obudowy kolektora i konwekcję (ruch powietrza). Te straty można wyliczyć za pomocą współczynników strat ciepła k1 i k2 oraz różnicy temperatur między absorberem a środowiskiem. Optyczny współczynnik sprawności i współczynnik strat ciepła są określane wg europejskich norm EN 12975.

Powierzchnia

k15
9. Pola powierzchni kolektorów płaskich i próżniowych.


Przy opisie kolektorów używa się trzech różnych miar ich powierzchni (rys. 9). Dane te dają nam informację o mocy i wydajności kolektorów. Jednakże literatura nie zawsze poprawnie podaje, o który rodzaj powierzchni w danym aspekcie chodzi.
Jako powierzchnię brutto określa się zewnętrzną powierzchnię kolektora, będącą iloczynem długości i szerokości urządzenia. Powierzchnia brutto nie wpływa na moc urządzenia, ale jest niezbędna do projektowania a później do montażu na połaci dachu. Jest ona również ważna w przypadku składania wniosków o dotacje na kolektory.
Powierzchnia absorbera odnosi się wyłącznie do absorbera. Jeśli rozpatruje się absorber ryflowany, to zachodzące na siebie pojedyncze „prążki” takiego absorbera nie są sumowane, gdyż częściowo przykryte obszary nie są wliczane do powierzchni aktywnej. Natomiast jeśli chodzi o absorber okrągły, do powierzchni aktywnej zalicza się całą powierzchnię absorbera, mimo że niektóre obszary nie są bezpośrednio wystawione na działanie promieni słonecznych. Warto pamiętać, że podawanie takich wartości jako argumentu przemawiającego za wyborem danego kolektora jest wprowadzaniem klienta w błąd.
W optyce aperturę określa się, mówiąc najprościej, jako średnicę otworu urządzenia optycznego, przez który wpada światło. W odniesieniu do kolektorów powierzchnią apertury jest największa powierzchnia, na którą pada światło, a więc przez którą wpadają promienie słoneczne.
Odpowiednio zatem:

  • w kolektorach płaskich powierzchnią apertury jest widoczny obszar na szybie kolektora, czyli obszar wewnątrz ramy kolektora, przez który wpada światło do urządzenia;
  • w kolektorach próżniowo-rurowych, zarówno z płaskim, jak i z okrągłym absorberem bez powierzchni lustrzanej, powierzchnię apertury określa się jako sumę wszystkich odcinków szklanych rur. Ponieważ brak w nich tylnej blachy, powierzchnia apertury jest tu większa niż w kolektorach płaskich. W kolektorach rurowych, w których powierzchnia z lustrem leży po jego spodniej stronie, powierzchnię naświetloną zwierciadłem określa się mianem powierzchni apertury.

Moc
Moc maksymalną kolektora definiuje się jako iloczyn optycznego współczynnika sprawności i maksymalnego przyjętego napromieniowania 1000 W/m2. Przy przyjętym optycznym współczynniku sprawności wynoszącym 78% moc maksymalna wynosi 0,78 kW na metr kwadratowy powierzchni kolektora. Jednakże przy normalnej pracy kolektor rzadko osiąga tę wartość. Wartości mocy dla różnych różnic temperatury między absorberem a otoczeniem podane są w certyfikacie SolarKeyMark. Polecam analizę podanych wartości, ponieważ porównując je, można dojść do ciekawych wniosków. Wykres na rys. 10 przedstawia moc użyteczną różnych kolektorów o zbliżonej powierzchni brutto, tj. około 2,5 m2 brutto w przypadku kolektora płaskiego i około 3 m2 brutto w przypadku kolektorów próżniowych. Okazuje się, że kolektory płaskie wykazują większą moc niż kolektory próżniowe w niskich różnicach temperatur między otoczeniem a absorberem, a w porównaniu z modelem rury typu Sydney nawet dla różnicy wynoszącej 70 K. Kolektory z rurami z podwójnego szkła i lustrem – mimo największej powierzchnia brutto – wykazują najniższe wartości mocy użytecznej.

Autor: Dawid Pantera

Kolejna część już jutro.

Cykl warsztatów instalatora OZE to projekt edukacyjny przygotowywany we współpracy redakcji Polskiego Instalatora oraz Polskiej Korporacji Techniki Sanitarnej, Grzewczej, Gazowej i Klimatyzacji – z dużymi firmami z branży OZE, mającymi bogate doświadczenie projektowe, produkcyjne, montażowe i serwisowe. Kierujemy go do potencjalnych projektantów i wykonawców takich instalacji, a być może także docelowych użytkowników. W kolejnych odcinkach naszych warsztatów chcemy popularyzować wiedzę techniczno-praktyczną nt. kolektorów słonecznych, małych instalacji fotowoltaicznych czy pomp ciepła, w sposób usystematyzowany i pogłębiony. Startujemy z firmą Viessmann, która już w 2003 roku stworzyła Szkołę Policelną Nowoczesnych Technik Grzewczych Akademii Viessmann.

 

 


 

pi