Kolektory słoneczne. Konstrukcje Niezbędnik instalatora słonecznych systemów grzewczych cz. 3

Istnieją różne konstrukcje kolektorów słonecznych. Poniżej scharakteryzowano kolektory płaskie, próżniowe rurowe oraz próżniowe płaskie. Osobnego omówienia wymagają specjalne rozwiązania tych urządzeń.

Podstawowe konstrukcje kolektorów płaskich

W każdym z typów kolektorów występują różnorodne rozwiązania szczegółowe. Na przestrzeni lat kolektory słoneczne ulegały modernizacji, budowano je również z myślą o zastosowaniu do konkretnego celu.

Na rys. 1 przedstawiono podstawowe rozwiązania konstrukcyjne płaskich kolektorów słonecznych, począwszy od basenowego bez przykrycia, po szereg rozwiązań standardowych, wyposażonych w zwykłą szybę solarną, w tzw. hamulec konwekcyjny oraz w przezroczystą izolację cieplną.

Budowa płaskiego kolektora słonecznego

Nowoczesny płaski kolektor słoneczny (rys. 2) składa się z absorbera w postaci blachy przewodzącej ciepło zintegrowanej z systemem rurek przepływowych, przezroczystego przykrycia w formie szyby od frontu oraz izolacji cieplnej z tyłu i po bokach. Wszystkie te elementy wkomponowane są w obudowę w formie ramy lub wanny.

Fale krótkie promieniowania słonecznego przechodzą przez szybę solarną i trafiają na powierzchnię absorbera, gdzie zachodzi ich przemiana w promieniowanie o dużej długości fal (ciepło). Ciepło to z uwagi na gromadzenie się wewnątrz kolektora może w ograniczonym stopniu wydostawać się z niego.

Konstrukcje absorberów

Na przestrzeni lat konstrukcje absorberów kolektorów słonecznych bardzo się zmieniały. Blachy absorbera wykonywane były między innymi z miedzi, aluminium czy stali chromo-niklowej.

Bardzo ważną rolę w efektywnym przenoszeniu ciepła z blachy absorbera na rurki przepływowe odgrywa sposób połączenia tych elementów. Absorber może być wykonany w postaci pasków ułożonych we wnętrzu kolektora obok siebie lub wypełniać cały obrys wewnętrzny kolektora. Metodami, które w przeszłości sprawdziły się w praktyce przy wykonywaniu pasków absorbera, były: spawanie/lutowanie, zaciskanie, falcowanie oraz walcowanie.

Wysokie temperatury działające na cienkie paski blachy absorbera prowadziły często do poluzowania połączenia blachy z rurkami, równocześnie sama blacha deformowała się pod wpływem wysokiej temperatury – efektem był spadek wydajności kolektora. Zjawisku deformacji blachy próbowano zapobiegać poprzez jej specjalne ukształtowanie zwiększające sztywność.

W przypadku absorbera wykonanego w całości w postaci blachy o jednolitej powierzchni sposób połączenia i kształt rurek/kanałów przepływowych jest uzależniony od rodzaju zastosowanych materiałów, których decydującymi parametrami są przewodność cieplna oraz wydłużalność.

Niepoślednią rolę odgrywa oczywiście sama blacha absorbera, gdyż jej zadaniem jest nie tylko absorbowanie promieniowania słonecznego, musi ona również emitować jak najmniej ciepła, aby go nie „wypuścić” z kolektora.

Zwykła blacha o czarnej powierzchni emituje (oddaje) ciepło w sposób praktycznie nieograniczony. Jest ono co prawda blokowane przez szybę solarną, następuje jednak ogrzanie szyby, a więc występują duże straty ciepła. Zjawisku temu próbowano w przeszłości zapobiegać, wprowadzając drugą szybę, prowadziło to jednak do spadku ilości energii słonecznej wnikającej do kolektora przez te dwie szyby.

Rozwiązaniem dla ograniczenia emisji cieplnej blachy absorbera było zastosowanie tzw. powłoki selektywnej, która jest obecnie standardem w technice solarnej (rys. 3).

Powłoki selektywne nakładane są galwanicznie, naparowywane w próżni albo wytwarzane z użyciem techniki rozpylania jonowego. Nowe rozwiązania techniczne powłok zapewniają uzyskanie minimalnych wartości strat związanych z emisją.

Powłoki selektywne są bardzo czułe i wymagają dołożenia szczególnej staranności, zwłaszcza w trakcie montażu absorberów. Chodzi tu o uniemożliwienie kontaktu powłoki z otoczeniem (producenci dostarczają produkt z folią ochronną) oraz niepoddawanie jej wpływom mechanicznym.

Bardzo ważnym zagadnieniem jest również właściwa eksploatacja kolektorów z absorberami wyposażonymi w powłoki selektywne, są one bowiem wrażliwe na działanie wilgoci, wykraplanie się pary wodnej, dwutlenku siarki i tlenku azotu, a także na kontakt z powietrzem atmosferycznym ze znaczną zawartością soli.

Parametry powłok wysokoselektywnych badane są laboratoryjnie, informacje o najpopularniejszych z nich zestawiono w tabeli 1, opierając się na danych producentów. Powłoki selektywne nanoszone są głównie na podłoże w postaci blachy miedzianej lub aluminiowej.

Na rys. 4 pokazano, jak funkcjonuje absorber ze standardowym pokryciem. Padające na absorber promieniowanie słoneczne o określonym spektrum zaznaczono kolorem niebieskim. 

Standardowy absorber wykazuje w całym obszarze długości fal praktycznie stałą wartość emisji (95%), to jest odbija określoną ilość promieniowania w kierunku szyby solarnej, a tym samym prowadzi do jej ogrzania – efektem są straty ciepła. Krzywa zaznaczona kolorem czerwonym obrazuje ilość odprowadzanego promieniowania podczerwonego.

Dla porównania na rys. 5 pokazano funkcjonowanie absorbera z powłoką selektywną. W obszarze promieniowania podczerwonego absorber selektywny odprowadza jedynie 10% wartości odprowadzanej przez absorber standardowy.

Podsumowując, absorbery z powłoką selektywną oddają mniej energii w sposób niekontrolowany i tym samym szyba solarna jest ogrzewana w mniejszym stopniu, co prowadzi do zmniejszenia strat ciepła w kolektorze. 

Dotychczas przy wykonywaniu absorberów standardem była blacha miedziana oraz miedziane rurki przepływowe. Miedź może być prawie całkowicie poddawana recyklingowi, dzięki czemu można ją ponownie wykorzystać – jest to jej podstawowa zaleta ekonomiczna. Ma też wysoką przewodność cieplną i zachowuje ją w długim przedziale czasowym, niezbędnym ze względu na długotrwałą eksploatację kolektorów. Przewody miedziane są również od lat z powodzeniem stosowane w technice instalacyjnej.

Z kolei aluminium ma trochę mniejszą przewodność cieplną i trudniej się je obrabia. Do tej pory było ono rzadziej stosowane, m.in. z uwagi na niebezpieczeństwo korozji elektrolitycznej. Natomiast jego główną zaletą jest niższa cena niż miedzi. 

Opracowanie powłoki selektywnej Mirotherm na podłożu aluminiowym, która ma identyczne parametry jak powłoki na podłożu miedzianym, sprawiło, że oferowane są już absorbery z blachą aluminiową połączone z miedzianymi rurkami przepływowymi. Przeszkodą była dotychczas różna rozszerzalność cieplna obu materiałów i w miejscu łączenia mogły występować naprężenia, a tym samym utrata kontaktu blachy z rurkami absorbera.

Wprowadzenie na rynek tzw. kolektora w 100% aluminiowego pozwoliło uniknąć tego niebezpieczeństwa. W kolektorach aluminiowych stosuje się też ciecze solarne ograniczające korozję elektrolityczną.

Kolektory z absorberem ze stali nierdzewnej są rzadko produkowane. Stal taka ma niższą przewodność cieplną niż miedź i aluminium, co powoduje konieczność zastosowania większych powierzchni absorbera dla uzyskania tej samej ilości energii niż w przypadku miedzi i aluminium.

W podziale kolektorów na typy dużą rolę odgrywa sposób ukształtowania kanałów przepływowych pod blachą absorbera. Mogą to być rurki przepływowe ukształtowane w postaci harfy, harfy dzielonej lub meandra, absorbery roll-bond albo tzw. absorbery z przepływem powierzchniowym. 

Obudowa i szyba 

Dla ochrony absorbera przed wpływami atmosferycznymi oraz ograniczenia strat ciepła umieszcza się go w obudowie, przykrywa szkłem i izoluje specjalnymi materiałami lub wykorzystując próżnię. Szyba przykrywająca musi być bezpieczna dla otoczenia i mieć niską zawartość żelaza dla zapewnienia wysokiej przepuszczalności świetlnej.

Przy obserwacji kantów takiej szyby nie zauważa się zielonego odcienia charakterystycznego dla innych szyb. Jej wytrzymałość na ściskanie wynosi ok. 700 N/mm² (dla porównania tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem szklanym stosowane do wytwarzania desek surfingowych ma wytrzymałość ok. 250 N/mm²). 

Szkło bezpieczne jest hartowane i naprężane (hartowanie termiczne), aby mogło wytrzymać m.in. uderzenia gradu. W razie złamania szyba solarna rozpada się na dużą liczbę drobnych elementów, by ograniczyć do minimum niebezpieczeństwo urazu czy wypadku (stąd określenie szkło bezpieczne).

Obudowa musi spajać wszystkie komponenty i ograniczać straty ciepła występujące w trakcie eksploatacji kolektora słonecznego. Pojawiające się wówczas różnice temperatur pomiędzy absorberem a otoczeniem wynoszące 40 K są zjawiskiem normalnym – z tego względu kolektor powinien mieć odpowiednią izolację tylną i boczną. Dobry kolektor słoneczny charakteryzuje się dzięki temu niskimi stratami ciepła.

Ze względu na rodzaj wykonania obudowy płaskie kolektory słoneczne dzieli się na ramowe oraz wannowe (rys. 6). Poszczególne kolektory ramowe i wannowe różnią się szczegółami konstrukcyjnymi, na przykład sposobem ukształtowania elementów, które służą do posadowienia kolektorów na konstrukcjach mocujących.

Rama może być wykonana z wielu elementów lub gięta z jednego profilu, blacha tylna kolektora ramowego może być oddzielnym elementem przykręcanym lub jedynie wkładanym do ramy zasadniczej, natomiast wanny są zwykle wytłaczane z aluminium lub wykonane z tworzywa sztucznego.

Szyby w kolektorach słonecznych stanowią element chroniący, izolujący i stabilizujący. Wydajność szyby solarnej zależy w decydującej mierze od zastosowanego szkła. Promieniowanie słoneczne powinno bez przeszkód pokonać tę barierę, dlatego stosowane jest szkło solarne o wyjątkowej czystości składu chemicznego. 

Dzięki temu uzyskuje się lepszą przepuszczalność światła niż w zwykłych szybach. Należy zaznaczyć, że w przeszłości szyby solarne nie były poddawane dodatkowym zabiegom poprawiającym ich wydajność. Różniły się jedynie „wyglądem” – było to albo szło klarowne (przezroczyste), albo o specyficznej strukturze (pryzmatyczne). Obecnie często stosowane jest szkło z powłokami antyrefleksyjnymi. 

Szkło solarne podlega certyfikacji i dzielone jest na szereg klas pod względem efektywności (tabela 2). Szyby różnią się m.in. przepuszczalnością optyczną, redukcją przepuszczalności w wyniku wpływu środowiska, zmianą przepuszczalności przy padaniu promieniowania pod kątem do powierzchni szyby [3].

Dzięki odpowiedniej szybie solarnej można zbudować kolektor słoneczny o dużej sprawności. Sprawność kompletnego kolektora słonecznego, który stanowi mechanizm złożony z wielu elementów, nie może być wyższa od sprawności podanej dla zastosowanej szyby. W przeciwnym wypadku znaczyłoby to, że producent zbudował kolektor stawiający pod znakiem zapytania prawa mechaniki.

Podstawowe konstrukcje rurowych kolektorów próżniowych

W rurowych kolektorach próżniowych stosuje się jedno- lub dwuścienne rury szklane (fot. 1). W przypadku rury dwuściennej wykorzystuje się najczęściej, znaną z technologii zastosowanej w termosach, rurę Sydney. 

Próżnia znajduje się pomiędzy dwoma rurami szklanymi, a końce rur są „zalane szkłem”, to znaczy obie rury łączone są w wysokiej temperaturze, w której szkło jest płynne i plastyczne. Standardowe średnice zewnętrzne takich rur to 37, 47, 58 i 70 mm (fot. 1a), a grubość ich ścian wynosi zwykle od 1,6 do 2 mm.

Na zewnętrzną powierzchnię rury wewnętrznej naniesiona jest powłoka absorbująca promieniowanie słoneczne. Sposób nanoszenia powłoki jest różny, przeważnie dzieje się to w próżni. Powłoka taka może się składać z kilku warstw, a zastosowanie różnych materiałów doprowadziło do pojawienia się na rynku odmian kolorystycznych (fot. 1c).

Przy ocenie wydajności rur próżniowych nie należy się jednak kierować kolorem, ale wynikami badań wydajności przeprowadzonych w autoryzowanej instytucji. 

Rury jednościenne mają wewnątrz próżnię. Podstawowym problemem technicznym jest w ich wypadku połączenie szkła z materiałem obcym – metalem (zastosowanym w górnej części). W wyniku różnej rozszerzalności cieplnej szkła i metalu występuje niebezpieczeństwo rozszczelnienia się takiej rury. 

Niemiecka firma Narva podjęła badania nad opracowaniem materiału, który miałby identyczną rozszerzalność cieplną jak stosowane szkło (fot. 1b).

Rurowe kolektory próżniowe dzieli się na dwie podstawowe grupy:

• z bezpośrednim przepływem – medium robocze przepływa w takich kolektorach przez absorber znajdujący się wewnątrz rur,
• z rurkami grzewczymi (heat pipe) – transport ciepła z absorbera do medium grzewczego zachodzi w zamkniętym obwodzie.

W przypadku kolektorów z bezpośrednim przepływem stosuje się dwa rozwiązania: pierwsze polega na tym, że w układach rurka w rurce (rys. 7a) medium grzewcze doprowadzane jest za pośrednictwem jednej rurki do spodu szklanej rury próżniowej, a następnie w trakcie ruchu w górę ogrzewane jest ciepłem gromadzonym przez absorber umieszczony na drugiej rurce. Drugi sposób to prowadzenie medium roboczego przez U-rurkę umieszczoną wewnątrz rury próżniowej (rys. 7c).

W przypadku kolektorów z rurkami grzewczymi (heat pipe; rys. 7b) wykorzystuje się zjawisko parowania cieczy w zamkniętej rurce, wewnątrz której panuje podciśnienie. Dzięki temu następuje przyspieszone parowanie, już przy stosunkowo niskiej temperaturze. 

W górnej części rurki grzewczej znajduje się skraplacz, który ma kontakt z przepływającym medium grzewczym. Medium grzewcze, odbierając ciepło, powoduje wykroplenie pary w skraplaczu. Powstałe krople cieczy pod wpływem własnego ciężaru opadają w dół rury grzewczej, gdzie w przypadku istnienia odpowiedniej temperatury ponownie parują, a strumień pary przemieszcza się w górę rurki grzewczej, po czym cały proces się powtarza.

Kolektory heat pipe mogą mieć tzw. suche lub mokre połączenie rur grzewczych z obwodem solarnym. W pierwszym przypadku skraplacz rurki grzewczej kontaktuje się z elementem pośrednim w formie tulei, która zanurzona jest w medium roboczym. Umożliwia to łatwą wymianę rur próżniowych bez potrzeby opróżniania obwodu solarnego (stąd nazwa suche połączenie). 

Kolektor taki może być napełniany o dowolnej porze dnia, transportowany na dach w elementach, a rury próżniowe zakładane są po wykonaniu wszystkich prac, łącznie z próbą ciśnieniową. W przypadku kolektora heat pipe z połączeniem mokrym skraplacz rurki grzewczej zanurzony jest bezpośrednio w medium grzewczym obwodu solarnego. 

Dzięki wyeliminowaniu elementu pośredniego w trakcie przekazywania energii absorber może spełniać identyczną funkcję jak w rozwiązaniu suchym przy nieco niższych temperaturach roboczych.

Dla poprawy efektywności kolektorów rurowych stosuje się zwierciadła (lustra CPC – rys. 7c) skupiające promieniowanie. Odbicie promieni słonecznych padających na kolektor od lustra pomiędzy rurami próżniowymi pozwala wykorzystać część energii, która w przypadku kolektorów bez lustra jest tracona.

Płaski kolektor próżniowy

W konstrukcji płaskiego kolektora próżniowego wykorzystuje się zjawisko zmniejszenia strat oraz emisji ciepła wynikające np. z konwekcji w wyniku wprowadzenia podciśnienia do wnętrza urządzenia. 

Dodatkową poprawę parametrów uzyskuje się po zastąpieniu pozostałości powietrza gazem szlachetnym. Zasadniczo określenie próżniowy jest w przypadku takiego kolektora niewłaściwe, mamy bowiem do czynienia z podciśnieniem o wartości nieporównywalnej z podciśnieniem występującym w rurach próżniowych. 

W tym wypadku konieczne jest zamontowanie podpór dla szyby solarnej w celu przeniesienia znacznych obciążeń wynikających z różnicy ciśnień pomiędzy otoczeniem a wnętrzem kolektora. Podpory te muszą być umieszczone w odstępach co 10 cm. 

Kolektory takie muszą być również wyposażone w dodatkowe króćce służące do wytworzenia podciśnienia we wnętrzu urządzenia (dokonuje się tego po montażu) oraz ewentualnego usunięcia powietrza po pewnym okresie eksploatacji. Konieczne jest regularne kontrolowanie tego podciśnienia.

Literatura

1. www.solarserwer.de.
2. ISFH Hameln, Program NILS. Wärme von der Sonne. Handbuch, 2009.
3. www.spf.ch.
4. www.made-in-china.com.
5. www.narva.de.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!