Kolektory słoneczne – nowe rozwiązania techniczne

Hybrydowe kolektory słoneczne

Pod pojęciem „hybrydowe kolektory słoneczne” funkcjonują w branży solarnej różnorodne rozwiązania, w których energia słoneczna jest podstadrwowym źródłem energii do realizacji wielu zadań. Medium roboczym w takich kolektorach może być płyn solarny (w kolektorach cieczowych) lub powietrze (w kolektorach powietrznych) albo oba te media równocześnie (w kolektorach cieczowo-powietrznych).

Energia słoneczna wykorzystywana może być z kolei jako medium grzewcze (w kolektorach termicznych) lub też służy do wytwarzania prądu (w ogniwach fotowoltaicznych). Efektem jest powstanie całego szeregu indywidualnych rozwiązań z możliwością naprzemiennego lub jednoczesnego wykorzystania energii słonecznej do zasilania odbiorników energii.

Kolektory płaskie cieczowo-powietrzne

Rozwój tych urządzeń jest wynikiem wielu prac naukowych, w których analizowano możliwość bardziej efektywnego wykorzystania stosunkowo niskich temperatur roboczych kolektorów słonecznych (poniżej 35°C). Temperatury tej wielkości w tradycyjnych systemach solarnych mogą służyć jedynie do wstępnego podgrzewu wody użytkowej, ich wykorzystanie w instalacjach do ogrzewania budynków jest praktycznie niemożliwe. Te rozważania legły u podstaw koncepcji cieczowo-powietrznego kolektora słonecznego, którego zadaniem jest użyteczne wykorzystanie niskich temperatur roboczych.

Założono, że kolektor taki powinien zapewniać uzyskanie średniorocznie gwarantowanego poziomu 525 kWh energii z metra kwadratowego powierzchni kolektora (podstawa dofinansowania tych urządzeń w Niemczech) po stronie cieczowej kolektora i równocześnie dodatkowo 225 kWh energii po stronie powietrznej.

Powstało urządzenie (rys. 1) stanowiące kombinację typowego kolektora cieczowego oraz powietrznego. Przez wnętrze kolektora cieczowego przepuszczane jest powietrze, które jest podgrzewane podczas przemieszczania się pod absorberem kolektora. Tak skonstruowany kolektor słoneczny wykorzystywany jest w różnych systemach grzewczych (rys. 2).

W przypadku systemu z jednym zbiornikiem (rys. 2a) hybrydowy kolektor słoneczny po stronie cieczowej wykorzystywany jest do podgrzewu ciepłej wody użytkowej, a po stronie powietrznej ciepłe powietrze o temperaturze przekraczającej 25°C wprowadzane jest w celach grzewczych bezpośrednio do budynku.

W systemie z dwoma zbiornikami (rys. 2b) ciepło pozyskiwane z części cieczowej kolektora doprowadzane jest do zasobnika ciepłej wody użytkowej oraz bufora ciepła instalacji grzewczej, natomiast ciepło pozyskane po stronie powietrznej kierowane jest w celach grzewczych bezpośrednio do budynku. Na rys. 2c  przedstawiono system z jednym zbiornikiem i pompą ciepła powietrze/woda. Ciepło pozyskiwane z części cieczowej kolektora doprowadzane jest do zasobnika ciepłej wody użytkowej oraz do bufora ciepła instalacji grzewczej, a ciepło pozyskane po stronie powietrznej kierowane w celach grzewczych bezpośrednio do budynku.

Powietrze o temperaturze poniżej 25°C skierowane zostaje do pompy ciepła. Z kolei na rys. 2d pokazano system z jednym zbiornikiem i pompą ciepła woda/woda. Ciepło pozyskiwane z części cieczowej kolektora doprowadzane jest do zasobnika ciepłej wody użytkowej oraz bufora ciepła instalacji grzewczej, a ciepło pozyskane po stronie powietrznej kierowane jest w celach grzewczych bezpośrednio do budynku. Pompa ciepła pozyskuje energię z kolektora hybrydowego i wykorzystuje temperatury poniżej 25°C.

Kolektor powietrzny z modułem fotowoltaicznym

Moduł fotowoltaiczny służący do przemiany promieniowania słonecznego w energię elektryczną ma, jak wiadomo, bardzo niską sprawność, wynoszącą jedynie 10–15% (rys. 3). Jednocześnie duża ilość ciepła powstającego w ogniwie fotowoltaicznym, sięgająca często 40–50% ilości energii dochodzącej do ogniwa, nie jest wykorzystana. Wiele firm produkuje hybrydowe kolektory powietrzne, które w istocie są ogniwami fotowoltaicznymi z wymuszonym przepływem strumienia powietrza przez kadłub ogniwa.

Tę technologię zastosowano np. w Norymberdze. Instalacja o powierzchni 45 m² służy do zasilania lakierni samochodowej w energię elektryczną (moduły fotowoltaiczne dają moc szczytową na poziomie 5 kW) oraz do podgrzewu strumienia świeżego powietrza w kabinie lakierniczej i suszącej (moc szczytowa – 15 kW). W wielu obiektach, do których bezpośrednio nie sięga sieć elektryczna (fot. 1), możliwe jest wyciepło korzystanie kolektorów powietrznych z modułem fotowoltaicznym do wspomagania ogrzewania, wentylacji pomieszczeń, a dzięki zastosowaniu ogniw fotowoltaicznych – uniezależnienia się od sieci elektrycznej.

Kolektor cieczowy z modułem fotowoltaicznym

Zastosowanie modułów fotowoltaicznych do zaspokojenia zapotrzebowania na energię elektryczną budynków indywidualnych wiąże się często z koniecznością pokrycia całej powierzchni dachu budynku ogniwami fotowoltaicznymi (fot. 2).

W efekcie brakuje powierzchni pod cieczowe kolektory słoneczne. Jednak dzięki zastosowaniu cienkich foliowych ogniw fotowoltaicznych umieszczonych na szybie solarnej kolektora cieczowego (rys. 4) możliwe jest podwójne wykorzystanie dostępnej połaci dachowej.

Kolektory koncentryczne i zwierciadła paraboliczne

W elektrowniach słonecznych, które zbudowane zostały w strefach o największym nasłonecznieniu, stosuje się też zwierciadła koncentrujące promieniowanie słoneczne w określonym punkcie, kolektory z rynnami parabolicznymi lub kolektory Fresnela. Prototypowa instalacja podobnego typu zbudowana została też w Niemczech przy Instytucie Jülich. Instalacja ta, wykonana w standardowej technice wieżowej (rys. 5), zwana jest elektrownią słoneczno-cieplną i służy udoskodo zamiany energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną.

Zastosowana technologia opiera się na dwustopniowym procesie przetwarzania energii. W pierwszym stopniu, zwanym solarnym blokiem energetycznym (siłowym), promieniowanie słoneczne skupione zostaje przez system kolektorów (heliostatów) w jednym punkcie na zbudowanej specjalnie w tym celu wieży i podgrzewa w tym punkcie powietrze atmosferyczne do temperatury rzędu 680°C.

Następnie energia cieplna ogrzanego powietrza przekazywana jest do konwencjonalnego stopnia cieplnego, w którym zostaje przetworzona w parę o ciśnieniu 26 barów oraz temperaturze ok. 480°C i wykorzystana w turbinie parowej połączonej z generatorem do wytworzenia prądu elektrycznego.

Nowe rozwiązania w standardowych kolektorach słonecznych

Kolektor słoneczny Frac-Therm®

Kolektory słoneczne, będące w istocie rzeczy wymiennikami ciepła, powinny stanowić konstrukcje umożliwiające uzyskanie największej wydajności energetycznej, a równocześnie najmniejszych oporów przepływu, które w efekcie ograniczą pobór mocy pompy systemu solarnego. Sercem kolektora słonecznego jest absorber zbudowany zwykle z blachy miedzianej lub aluminiowej pokrytej powłoką selektywną, połączonej z systemem rurek przepływowych, w formie np. harfy lub meandra, za pośrednictwem lutu (lutowanie), zgrzewu (ultradźwięki), szwu (promień lasera) itp.

O ile w przypadku absorbera z meandrem dochodzi do stosunkowo równomiernego przepływu, to w wyniku dużej długości meandra występują znaczne opory przepływu. W przypadku harfy sytuacja jest odwrotna, opory przepływu są mniejsze, ale wiele do życzenia pozostawia jego równomierność.

Z tych powodów rozpoczęto prace nad zbudowaniem absorbera, który umożliwi zminimalizowanie negatywnych zjawisk w standardowych konstrukcjach. Wykorzystano tu znane naturalne zjawiska związane z równomiernym zasilaniem komórek roślin, struktur mózgowych lub połaci płucnych człowieka.

Struktury zasilające nie są w tym przypadku zbudowane ani w postaci meandra, ani kanałów równoległych, ale mają formę tak zwanych struktur fraktalnych (rys. 6). Efektem tych prac jest prototyp kolektora, który poddawany jest badaniom w Instytucie Frauenhofera.

Płaski kolektor próżniowy

Na rynku znane są próżniowe kolektory słoneczne, które zbudowane są tak jak tradycyjne kolektory płaskie. Z ich wnętrza wysysane jest powietrze w celu uzyskania jak najniższej wartości ciśnienia, dzięki czemu uzyskuje się efekt izolacji cieplnej.

Równolegle do udoskodo nalania tych konstrukcji prowadzone są prace nad nowymi rozwiązaniami. W pracach tych wykorzystuje się znane technologie (np. lustro CPC), ale nie wkomponowywane dotychczas w kolektory płaskie.

Prototyp takiego kolektora pokazano na fot. 3. Widoczne są lustra CPC o zoptymalizowanej geometrii z tak zwanymi końcówkami V. Absorberem jest standardowa harfa, której rurki przepływowe ogrzewane są promieniami słonecznymi skupianymi przez lustra (rys. 7). We wnętrzu kolektora obniżane jest ciśnienie lub wprowadzany krypton.

Na rys. 8 pokazano rozkład temperatur w pojedynczej komorze kolektora dla trzech wybranych wariantów jego pracy, przy czym temperatura absorbera wynosiła 150°C, a temperatura otoczenia – 20°C. W przypadku pierwszym wewnątrz kolektora znajdował się krypton, a ciśnienie wynosiło 1000 Pa, w wariancie drugim przy identycznej wartości ciśnienia we wnętrzu kolektora znajdowało się powietrze, w wariancie trzecim ciśnienie powietrza zwiększono do 100 000 Pa. Prototyp ten poddano badaniom w warunkach naturalnych (stanowisko badawcze na świeżym powietrzu) w celu określenia jego sprawności (rys. 9).

Kolektory słoneczne z tworzyw sztucznych

Kolektory z tworzyw sztucznych znajdują szerokie zastosowanie na obszarach dużego nasłonecznienia w różnych strefach geograficznych. Ograniczmy się jednak do opisu wybranych rozwiązań z naszej strefy. Pierwsze kolektory słoneczne wykonane z tworzyw sztucznych opracowane zostały przez Uniwersytet Napier w Edynburgu, a wprowadzone na rynek przez brytyjską firmę Solar Twin Ltd. (fot. 4).

Ciekawostką tego rozwiązania jest zastosowanie jako medium roboczego wody, wbudowanie obwodu kolektora bezpośrednio do obiegu wodyużytkowej oraz zasilanie ogniwem fotowoltaicznym, co uniezależnia system od sieci elektrycznej. W kolektorze osiągane są temperatury robocze rzędu 60°C, co jest z jednej strony zaletą, ponieważ nie dochodzi do deformacji cieplnych kolektora, jednak ten poziom temperatur nie może być uznany za zadowalający w kontekście wysokiej wydajności.

Z kolei w Norwegii kolektory słoneczne z tworzywa sztucznego wyprodukowano z przeznaczeniem do wspomagania niskotemperaturowych systemów ogrzewania, zarówno w budownictwie indywidualnym, jak i szpitalach czy domach opieki. Konstrukcja urządzenia zbliżona jest do konstrukcji standardowego kolektora płaskiego, przy czym  pokrywa górna (odpowiednik szyby solarnej) wykonana została z płyty z poliwęglanów o grubości 10 mm.

Podstawową zaletą tego kolektora miała być jego waga. Absorber wykonany jest bowiem również z tworzywa, o nazwie handlowej Noryl, które jest wytwarzane techniką wytłaczania. Jego charakterystyczną cechą jest sieć równoległych kanalików, a kolektory pracują w systemie opróżniania się metodą drain-back.

Podsumowanie

W artykule przedstawiono rozwiązania techniczne kolektorów słonecznych, które znajdują się na etapie prac rozwojowych, ale również takie, które są już oferowane przez producentów. Energia wytwarzana przez te kolektory magazynowana jest w standardowych zasobnikach lub też wykorzystywane są nowe rozwiązania techniczne, które będą tematem kolejnego artykułu.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!