Instalacje solarne

Wprowadzenie

Zastosowanie energii słonecznej:

1. Wytwarzanie elektryczności – ogniwa fotowoltaiczne

2. Wytwarzanie ciepła

Hotelach i pensjonatach, ośrodkach wypoczynkowych, polach namiotowych

W basenach i obiektach sportowych wykorzystywanych w lecie

W zakładach przemysłowych zużywających duże ilości ciepłej wody

Zakładach kąpielowych, łaźniach

W domach jednorodzinnych wykorzystujących energie elektryczna do produkcji ciepłej wody

Zysk energii cieplnej z 1 m2 kolektora

słonecznego, w poszczególnych miesiącach

33,7646,01

100,82118,71

145,9160,88 158,62

151,01

117,68

73,49

29,81 23,73

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Styczeń

Lu

ty

Marz

ec

Kwiecieć

Maj

Cze

rw

iec

Lip

iec

Sierpień

Wrzesień

Październik

Lis

top

ad

Grudzień

Zysk

En

ergii

[k

W]

Nasłonecznienie

I usłonecznienie

Dostępność energii promieniowania słonecznego

Usłonecznienie w Europie

Czas nasłonecznienia

w lecie 16 godz/dzień

w zimie do 8 godz/dzień

maksymalnie 1600 godz/rok

365 dni x 12 godz. = 4380 godz/rok

80% całkowitej sumy nasłonecznienia

przypada na 6 miesięcy sezonu

wiosenno-letniego

13

Instalacja solarna

Promieniowanie słoneczne jest to strumień energii, wysyłany przez słońce. Do

zewnętrznych warstw atmosfery ziemskiej dociera moc 1,36 kW/m2 (tzw. stała

słoneczna). Promieniowanie słoneczne całkowite, docierające do powierzchni Ziemi jest

wypadkową promieniowania bezpośredniego i rozproszonego. W naszej strefie

klimatycznej suma promieniowania bezpośredniego i rozproszonego wynosi ok. 1,0

kW/m2. Kolektor słoneczny może przekształcić w ciepło użytkowe do 75%

promieniowania słonecznego całkowitego.

Kolektory słoneczne umożliwiają nam pozyskanie

darmowej energii słonecznej i wykorzystanie jej do

podgrzewania ciepłej wody użytkowej. W naszych

warunkach klimatycznych budowanie systemów

solarnych wspomagających pracę centralnego

ogrzewania nie jest jeszcze uzasadnione ekonomicznie.

Wykres zapotrzebowania ciepła na potrzeby c.o.(krzywa a) w stosunku do dostępnej energii

promieniowania słonecznego (krzywa b) w ciągu roku

Wykres zapotrzebowania ciepła na potrzeby c.w.u.(krzywa a) w stosunku do dostępnej energii

promieniowania słonecznego (krzywa b) w ciągu roku

Kolektory można podzielić na:

płaskie

- gazowe

- cieczowe

- dwufazowe

rurowe (nazywane też próżniowymi, w których

rolę izolacji spełniają próżniowe rury)

skupiające (prawie zawsze cieczowe)

specjalne (np. okno termiczne, izolacja

transparentna)

Budowa kolektorów płaskich

Szyba solarna - najlepiej wykonana ze szkła o niskiej zawartości tlenków żelaza. Raczej

nie stosuje się pokryw z tworzyw sztucznych, gdyż niszczeją stosunkowo szybko pod

wpływem wysokich temperatur, promieniowania UV oraz mogą na nich powstawać

zarysowania, które obniżą przepuszczalność promieni słonecznych. Zastosowanie

pryzmatycznej szyby szklanej może znacznie polepszyć wydajność kolektorów.

Absorber - główny element kolektora słonecznego. Powinien być wykonany z metalu

dobrze przewodzącego ciepło; najczęściej jest to miedź (najlepiej) albo aluminium.

Metal ten jest pokryty substancjami, tworzącymi jego powłokę. W zależności od

rodzaju kolektora, może być to powłoka nieselektywna (bardzo dobrze absorbuje

ciepło, ale także dużo go emitują) lub selektywna (również bardzo dobrze absorbuje

ciepło, a jednocześnie ogranicza emisję). Powłoki nieselektywne wykonuje się z

czarnych lakierów, a selektywne w wyniku galwanicznego nałożenia czarnego chromu.

Oczywiście powłoki selektywne są znacznie lepsze.

Rurki przylutowane do płyty absorbera, przez które przepływa ciecz robocza –

czynnikiem grzewczym jest płyn solarny produkowany na bazie glikolu propylenowego.

Szczelna obudowa - najczęściej aluminiowa

Izolacja termiczna - Jako izolator stosuje się najczęściej wełnę mineralną lub poliuretan

Kolektor

płaski

Budowa płaskiego kolektora słonecznego: V - wylot ogrzanego czynnika grzewczego, R -

wlot czynnika grzewczego, M - miejsce pomiaru temperatury, 1 - szyba ochronna, 2 -

absorber, 3 - rurki miedziane, 4 - izolacja, 5 - tylna ściana obudowy, 6 - rama montażowa z

włókien szklanych, 7 - narożnik wzmacniający, 8 - osłona kolektora zbiorczego

Kolektory płaskie zbudowane są w formie płyty metalowej (miedzianej) pokrytej powłoką

selektywną, która absorbuje promieniowanie słoneczne. Ciepło odbierane jest przez ciecz

solarną, która płynie w systemie rurek miedzianych stykających się z płytą odbierającą

ciepło.

1. rama aluminiowa 2. szkło hartowane 3.panele aluminiowe z warstwą wysoko selektywną 4. wężownica miedziana 5. kolektor miedziany 6. uszczelka silikonowa 7. izolacja termiczna 8. korpus z blachy aluminiowej

Kolektory słoneczne płaskie są przeważnie

wyposażane w przykrycie ze szkła solarnego lub też

antyrefleksyjnego. Szczególnie szkło antyrefleksyjne

zapewnia wysoką przepuszczalność promieniowania

słonecznego w granicach nawet 95% (szkło solarne ok.

90%, a szkło zwykłe – 70-80%). Oczywiście szkło

stosowane w kolektorach powinno być odporne i na stałe

naciski (śnieg), i na uderzenia (grad), toteż jest ono

hartowane. Wytrzymałość szyby podlega badaniom

jakościowym, jakie przechodzą kolektory słoneczne

chcące spełnić rygorystyczne wymagania normy

europejskiej i polskiej zarazem PN-EN 12975.

Wentylacja kolektora: Jednym z „mankamentów”

kolektorów płaskich jest obecność powietrza wewnątrz, które

odbiera ciepło z absorbera i oddaje je następnie do otoczenia. Taka

mikrowentylacja obudowy kolektora słonecznego jest

koniecznością, aby zapewnić jego „oddychanie”. Konieczność ta

wynika z materiałów izolacyjnych takich, jak np. wełna mineralna.

Absorber:

„Sercem” kolektora słonecznego jest absorber a w

szczególności powierzchnia absorpcyjna – pochłaniająca

promieniowanie słoneczne. Dawniej blachy absorberów

pokrywane były warstwą galwaniczną czarnego chromu lub

niklu. Obecnie stosowane nowoczesne powłoki pozwalają

zwiększyć wydajność kolektorów słonecznych.

Absorber: Decydujące znaczenie w zapewnieniu

kolektorowi słonecznemu wysokiej i niezmiennej

sprawności pracy podczas wieloletniej eksploatacji,

odgrywa absorber. Dotyczy to przede wszystkim jego

matowego pokrycia, które narażone jest na niską ujemną i

wysoką temperaturę pracy (nawet do 300°C). Zjawisko

tzw. starzenia się warstwy absorpcyjnej polega na tym,

że z czasem tracone mogą być zdolności do pochłaniania

promieniowania słonecznego. W przypadku złej jakości

warstwy wystarczy nawet okres kilku lat pracy, po których

znacznie obniżyć może się sprawność kolektora.

Absorber kolektora słonecznego, który zbudowany jest z

kawałków blachy ma mniejszą sprawność pochłaniania

energii ponieważ przez szczeliny pomiędzy tymi

paskami następują straty energii co ilustruje poniższy

przykład.

Dwa rodzaje płaskich kolektorów

słonecznych: meandrowe i harfowe

Zalety płaskiego kolektora słonecznego:

ogólnodostępna energia słoneczna,

nieszkodliwy dla środowiska naturalnego,

estetyczny "futurystyczny" wygląd,

ciepła woda bez rachunków i opłat,

możliwość uzyskania wysokiej temperatury wody w stosunkowo krótkim

czasie,

możliwość wspomożenia instalacji centralnego ogrzewania oraz innych

instalacji grzewczych z pompami ciepła,

długi czas eksploatacji dzięki zastosowaniu materiałów odpornych na korozję,

minimalne zużycie prądu przez układ regulacyjno-zabezpieczający,

automatyczna regulacja bez ingerencji człowieka,

system pracy - "konwekcyjny", bez udziału pomp wymuszających obieg,

instalacja bezciśnieniowa,

zwiększenie sprawności poprzez ewentualne zastosowanie obrotowej

konstrukcji kolektora,

realnie szybki zwrot kosztów inwestycji instalacji solarnej (3-8 lat)

Wady płaskiego kolektora słonecznego:

możliwość najefektywniejszego wykorzystania w miesiącach

kwiecień-wrzesień,

niższa temperatura wody w miesiącach październik-marzec

oraz podczas dni pochmurnych,

stosunkowo wysokie wciąż jeszcze koszty systemów solarnych

w przypadku zestawu obsługującego dom jednorodzinny, w

którym zamieszkują 4 osoby (w zależności od producenta,

ilości kolektorów oraz innych zastosowanych urządzeń od 6-18

tyś. złotych)

Kolektory próżniowe Kolektory próżniowe możemy podzielić ze względu na dwa

kryteria.

budowę próżniowej rury:

- rury termosowe o podwójnej ściance szkła gdzie absorber

napylany jest na zewnętrzną ściankę wewnętrznej rury.

- rury o pojedynczej ściance gdzie płaski absorber umieszczony

jest wewnątrz próżniowej rury.

ze względu na sposób wymiany ciepła:

- o przepływie bezpośrednim gdzie wymiana ciepła jest

jednofazowa analogicznie jak w kolektorze płaskim

- heat pipe (ciepłowód, gorąca rurka) gdzie wymiana ciepła jest

dwufazowa.

Kolektor

próżniowy

W rurkach ciepła znajduje się

łatwoodparowywująca ciecz

(temperatura wrzenia 30 °C), która w

przy ogrzewaniu rur przez słońce

zaczyna parować i para konwekcyjnie

przechodzi do końcówki rury

(kondensatora), umiejscowionej w

kanale zbiorczym będącym

wymiennikiem ciepła.

Kolektory próżniowe Ogrzewanie płynu w rurach próżniowych może

działać na dwa sposoby w zależności od typu

kolektora:

I. Podobnie jak w kolektorach płaskich

poprzez kanały przepływowe z czynnikiem

grzewczym, które mają postać litery U w

rurze próżniowej (ogrzewanie płynu

następuje przy jego przepływie przez kanał).

Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej.

Pierwszy sposób ogrzewania płynu w rurach próżniowych

Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej.

Kolektor

próżniowy

rury termosowe

o przepływie

bezpośrednim

Lustra CPC

- Warto wiedzieć że promienie słoneczne, wbrew rysunkom prezentowanym na wielu stronach

internetowych, nie padają wyłącznie pod kątem prostym na lustro, co powoduje, że promienie

padające pomiędzy rury nie zawsze odbiją się w stronę absorbera,

- lustro umieszczone za rurami próżniowymi stanowi w przypadku usytuowania kolektorów na

otwartej przestrzeni swoisty „żagiel" i zachodzi konieczność stosowania mocniejszej konstrukcji

mocującej w wyniku naporu wiatru,

- lustro w przypadku opadów śniegu może powodować jego zaleganie, co ogranicza wydajność

kolektora,

- podniesienie sprawności kolektora w wyniku zastosowania lustra możliwe jest jedynie w

przypadku: wykorzystania specjalnych materiałów (np. tak zwana solarna blacha aluminiowa

anodowana) zapewniających opóźnione starzenie powierzchni oraz zabezpieczenie przed osiadaniem

zanieczyszczeń, zapewnienia geometrii lustra dostosowanej do trajektorii ruchu słońca, właściwego

mocowania lustra zapewniającego stałe położenie za rurami. Koszt takiego prawidłowo działającego

lustra jest wysoki, co znacznie podniesie cenę naszego kolektora i zastosowanie lustra nie

zrekompensuje tego kosztu.

- w dobrze wykonanym lustrze widać wyłącznie absorber kolektora. Każde „jasne pasemka"

świadczą o nieprawidłowościach.

II. Poprzez zamkniętą pojedynczą rurę

nazywaną także „rurką ciepła” i

działającą na zasadzie kondensatora.

1 - aluminiowa powłoka

2 - rura próżniowa

3 - zamknięcie

4 - rurka cieplna Heat-pipe

1 rurka doprowadzająca zimny czynnik

2 rurka odprowadzająca ogrzany czynnik

3 zewnętrzna część rury próżniowej

4 przestrzeń próżni

5 wewnętrzna część rury próżniowej

6 przestrzeń powrotu ogrzanego czynnika

7 wypełnienie rury próżniowej

Nowoczesne konstrukcje

kolektory próżniowe typu "direct flow"

Poprzez kondensator ciepło oddawane jest do kanału

głównego w szynie zbiorczej kolektora zaś para w

kondensatorze schładza się, zamienia w ciecz i spływa na dół do

ponownego nagrzania. Kolektory próżniowe z rurkami ciepła

są bardziej efektywnym systemem od systemu

przepływowego.

Wyższa sprawność pozwala na oferowanie kolektorów

próżniowych do podgrzewaczu ciepłej wody użytkowej dla

obiektów o ograniczonej powierzchni dachowej pod kolektory

lub płaskiej powierzchni dachowej o ograniczonej nośności.

Umieszczone na tych obiektach kolektory próżniowe z uwagi na

swoją konstrukcję powodują niższe obciążenia wynikające z

naporu wiatru lub nacisku śniegu.

Rurowe kolektory próżniowe są do 30% sprawniejsze od

kolektorów płaskich w okresach wiosennym i jesiennym oraz

do 60% sprawniejsze w okresie zimowym. Wykazują stały

poziom absorpcji promieniowania w ciągu całego dnia gdyż

powierzchnia absorpcji nie zależy od kąta padania promieni

słonecznych tak jak w kolektorach płaskich.

hybrydowy kolektor słoneczny

Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej.

hybrydowy kolektor słoneczny

Dzienna ekspozycja na promieniowanie słoneczne

(x-powierzchnia czynna absorpcji)

Różnica w zastosowaniu kolektora rurowego

i próżniowego podczas zimy

Rurka cieplna znajdująca się wewnątrz tuby próżniowej,

działająca na zasadzie pompy ciepła zapewnia pracę kolektora

słonecznego nawet w dni pochmurne, a próżnia chroni przed utratą

pochłoniętego ciepła. W kolektorach, które nie wykorzystują

zasady pompy ciepła i nie mają izolacji próżniowej nastąpić może

w zimne i pochmurne dni efekt poboru ciepła z instalacji wody

użytkowej lub grzewczej.

Różnica w zastosowaniu kolektora płaskiego i

próżniowego w dni pochmurne

Kolektor płaski o powierzchni absorbera 2,60m2 posiada podobną wydajność roczną, co

próżniowy kolektor o powierzchni absorbera 2,20m2.

1 m2 kolektora płaskiego = 0.85 m2 kolektora próżniowego

Kolektor płaski musi mieć o 15% większą powierzchnię absorbera niż kolektor

próżniowy, aby uzyskać podobną wydajność grzewczą.

Porównanie sprawności

kolektora płaskiego i

próżniowego

Zalety kolektorów rurowych próżniowych:

wyższa wydajność w porównaniu do innych systemów, w przekroju

całorocznym

wysokie przychody ciepła już przy niewielkiej powierzchni kolektora

optymalna wydajność także w przypadku nieprzychylnego kąta padania

promieni słonecznych

szczególnie długa żywotność rurki szklanej

wykorzystanie tzw." promieniowania rozproszonego" poprzez zastosowanie

specjalnie profilowanych powierzchni lustrzanych

trwała konstrukcja

Stopień pokrycia potrzeb ciepła w okresie roku dla tej samej instalacji

podgrzewu c.w.u. w budynku jednorodzinnym, przy dwóch

typach kolektora słonecznego

Porównanie: kolektorów płaskich i próżniowych

Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej.

Kolektory elastyczne

Przykład instalacji z

kolektorami elastycznymi

Próżniowe kolektory słoneczne wyposażane w dodatkowe zwierciadła

(tzw. CPC) mogą zyskiwać dodatkowe promieniowanie słoneczne, pod

warunkiem, że powierzchnie lustrzane będą czyste i nie będą matowieć w czasie

eksploatacji. W warunkach środkowoeuropejskich warunki meteorologiczne nie

są jednak tak korzystne i do zabrudzenia powierzchni dochodzi w szybkim

czasie. Może się okazać, że sprawność kolektorów próżniowych będzie

zdecydowanie niższa niż kolektorów płaskich.

Okazuje się, że w zakresie temperatury, jaka występuje podczas pracy

kolektorów dla podgrzewania ciepłej wody użytkowej sprawność kolektora

próżniowego o podwójnym przeszkleniu będzie zdecydowanie niższa od

kolektorów i próżniowych, i płaskich z jedną szybą. Nawet dla wyższej

temperatury (wspomaganie ogrzewania), sprawność ta może pozostawać niższa

i jedynie w niewielkim zakresie pracy (w praktyce rzadkie układy

technologiczne, klimatyzacyjne) sprawność kolektora próżniowego „2-

warstwowego” będzie wyższa niż płaskiego dobrej klasy technicznej.

Porównanie sprawności podstawowych typów kolektorów

słonecznych oraz mocy jednostkowych W/m2 (na podstawie

danych producentów konkretnych urządzeń tego typu)

Nasłonecznienie 800 W/m2

Moc jednostkowa

kolektorów słonecznych

W/m2

Nachylenie

kolektora

Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej.

Ukierunkowanie kolektora

Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej.

Aby uzyskać najlepsze efekty (wydajność) kolektora należy:

Stroną absorpcyjną powinien być zwrócony na południe

Powinien być pochylony pod kątem 45 (jest to kąt

„średni” – jeśli ma być używany tylko w miesiącach

letnich powinien być nachylony pod kątem 30 a jeśli w

okresie zimowym kat nachylenia powinien wynosić 60)

Powinien być instalowany w miejscach nie zacienionych, a

w takich gdzie jest swobodny dostęp światła słonecznego.

Ważne jest to aby kolektor miał wysoki współczynnik

absorpcji najlepiej powyżej 0,95 oraz niski współczynnik

emisji – najlepiej poniżej 0,1.

Instalacja solarna

Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej.

Układ kolektorów słonecznych do podgrzewania basenu oraz zasobnika

Po nagrzaniu zasobnika do określonej temperatury elektrozawór tródrożny przekierowuje cieplo

do ogrzewania basenu

Schemat instalacji solarnej gdzie kolektory umieszczone są na dwóch przeciwległych

połaciach / wschodnia - zachodnia /

Elektrozawór trójdrożny przekierowuje glikol w tą połać która osiąga wyższą temperaturę

Schemat instalacji ciepłej wody użytkowej, basenu kąpielowego i wspomagania ogrzewania

dla budynku zasilanego energią z baterii kolektorów słonecznych, kotła c.o. i kominka

Sprawność kolektora zależy gównie od:

- parametrów konstrukcyjnych: materiału z jakiego został wykonany, rodzaju powłoki

absorpcyjnej i izolacji termicznej oraz zastosowanego układu przewodów (harfowy

czy meandrowy),

- parametrów technicznych: współczynnika absorpcji promieniowania krótkofalowego

- najlepiej jeśli sięga on wartości 0,95 i współczynnika emisji, który w zakresie długich

fal powinien być z kolei jak najniższy i wynosić maksymalnie 0,1.

Wydajność kolektora natomiast zależy od:

- poprawności zaprojektowania instalacji solarnej: dobrania średnic przewodów

doprowadzających i odprowadzających czynnik roboczy oraz wielkości zbiornika

akumulacyjnego;

- parametrów eksploatacyjnych całej instalacji: ilości czynnika roboczego,

częstotliwości i intensywności promieniowania słonecznego, prędkości i kierunku

wiatru, temperatury otoczenia oraz zgodności założeń projektowych dotyczących

dziennego zapotrzebowania na c.w.u. z rzeczywistym zużyciem.

Ogólna zależność jest taka, że do im wyższej temperatury chcemy podgrzać wodę, tym

uzyskujemy niższą wydajność zamiany energii promieniowania słonecznego na energię

cieplną. Dlatego zdecydowanie najbardziej efektywne jest zastosowanie kolektorów

słonecznych w systemach niskotemperaturowych np. do podgrzewania wody w

basenach.

Na co należy zwrócić uwagę, przy wyborze kolektora słonecznego:

Powierzchnia czynna absorbera - jest to jeden z najbardziej istotnych

parametrów, decydujący o możliwościach kolektora oraz jego cenie,

Sprawność optyczna - jest to parametr określający współczynnik

konwersji promieniowania słonecznego w energię cieplną,

Jednostka badawcza - badaniem kolektorów słonecznych zajmują się

niezależne jednostki badawcze, wg. norm PN EN 12975-1 oraz PN EN

12975-2,

Pojemność zasobnika na sztukę kolektora - Parametr określający ilość

wody, jaka jest dobierana do jednego kolektora.

Cena za sztukę - Należy zwrócić uwagę na to, że nie wszystkie kolektory

mają jednakową powierzchnię czynną absorbera. Państwo nie kupują

sztuki kolektora, tylko jego pracującą dla Nich powierzchnie.

Cena za kolektory do podgrzania 200 litrów wody - Parametr

porównawczy, dający obraz tego, jakie koszty należy ponieść, aby

podgrzać większą niż standardowo dobieraną do kolektora, ilość wody.