Te urządzenia wyciągają energię nawet z pochmurnego nieba. Polacy wciąż ich nie doceniają
Kolektory słoneczne coraz częściej wybiera się nie tylko z myślą o ekologii, ale też o realnych oszczędnościach — i tu zaczyna się ciekawa część. Bo choć Polska nie kojarzy się z klimatem rodem znad Morza Śródziemnego, wiele osób nie zdaje sobie sprawy, ile energii da się „wyciągnąć” nawet w naszych warunkach, także nad Bałtykiem. Najwięcej słońca mamy wiosną i latem, to oczywiste, ale zaskoczenie przychodzi wtedy, gdy okazuje się, że jesienią i zimą również trafiają się dni, które potrafią zrobić różnicę. Co więcej, nowoczesne instalacje potrafią pracować nie tylko w pełnym słońcu — wykorzystują także promieniowanie rozproszone, czyli to, które dociera do nas nawet wtedy, gdy niebo jest zasnute chmurami.
- Kolektory słoneczne: co to jest i jak działają
- Zastosowania kolektorów słonecznych
- Co wpływa na wydajność kolektorów?
- Ile energii dają solary przy chmurach?
- Rodzaje kolektorów słonecznych w praktyce
- Kolektory słoneczne a fotowoltaika: różnice
Kolektory słoneczne: co to jest i jak działają
Kolektory słoneczne (nazywane też kolektorami ciepła lub solarami) to urządzenia, które zamieniają energię promieniowania słonecznego w energię cieplną. Używając popularnych, choć brzmiących obco określeń – jak „kolektor solarny” – rzadko myślimy o ich pochodzeniu, a to bywa źródłem nieporozumień i zaskakująco częstych błędów. Tymczasem łacińskie sol oznacza słońce, a colligere – zbierać. Dlatego spotykane czasem sformułowanie „solary słoneczne” to po prostu pleonazm, równie nielogiczny jak „akwen wodny” czy „cofanie do tyłu”.
Kolektor słoneczny to kluczowy element instalacji termicznych, które pozyskują ciepło z promieniowania słonecznego. W najprostszym ujęciu składa się z poniższych części:
- absorber – przechwytuje światło słoneczne i zamienia je na ciepło. Najprostsze absorbery stanowiły metalowe płyty pomalowane na czarno. Dziś kolektory ciepła wykorzystują absorbery z galwaniczną powłoką z czarnego niklu, chromu lub miedzi albo z napylaną warstwą tlenku tytanu.
- wymiennik ciepła – zgromadzone ciepło trafia do roztworu glikolu, który najczęściej krąży w miedzianych rurkach. Płyn w zamkniętym obiegu odbiera energię z absorbera i przenosi ją do zasobnika magazynującego ciepłą wodę.
- izolacja – od spodu ogranicza ucieczkę ciepła z kolektora. Góra musi pozostać przejrzysta, dlatego stosuje się hartowane szkło albo przezroczyste tworzywo sztuczne. Osłona kolektora dodatkowo wywołuje efekt szklarniowy, co pomaga podnieść temperaturę płynu.
- pompa cyrkulacyjna – wymusza obieg czynnika, dzięki czemu instalacja pracuje sprawniej i stabilniej.
- automatyka sterująca – na podstawie odczytów z czujników temperatury zarządza pracą pompy cyrkulacyjnej.
Zastosowania kolektorów słonecznych
Kolektory słoneczne sprawdzają się nie tylko przy podgrzewaniu wody do mycia. Ich zastosowań jest więcej — poniżej kilka najczęściej spotykanych przykładów:
- solarne przygotowanie ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) – klasyczne i dobrze znane rozwiązanie do podgrzewania wody w domu. W okresie letnim jeden lub kilka kolektorów potrafi w praktyce pokryć całe zapotrzebowanie na c.w.u., ograniczając pracę kotła lub grzałek do minimum.
- ogrzewanie słoneczne – wodne instalacje solarne (kolektory podgrzewające czynnik w obiegu) mogą służyć także do ogrzewania budynku albo przynajmniej do wsparcia systemu grzewczego (c.o.). Najlepsze efekty roczne uzyskuje się zwłaszcza przy ogrzewaniu niskotemperaturowym, np. podłogowym, w dobrze ocieplonych domach.
- ciepło w procesach przemysłowych – systemy solarne da się wdrażać w zakładach, które przez cały rok potrzebują dużych ilości ciepła technologicznego. W wielu przypadkach koszt wytworzenia takiego ciepła bywa niższy niż przy wykorzystaniu kopalnych nośników energii.
- urządzenia klimatyzacyjne – użycie kolektorów słonecznych do zasilania klimatyzacji jest szczególnie logiczne, bo zapotrzebowanie na chłód rośnie właśnie wtedy, gdy słońca jest najwięcej. Ciepło solarne, zwykle o wyższej temperaturze (co najmniej 70°C), wykorzystuje się w chłodziarkach absorpcyjnych.
- elektrownie słoneczne – specjalne konstrukcje kolektorów, zwłaszcza paraboliczne, mogą pracować w instalacjach produkujących energię elektryczną. Najpierw promieniowanie słoneczne zamienia się na ciepło, potem para napędza turbinę, a generator przekształca energię mechaniczną w prąd.
Co wpływa na wydajność kolektorów?
Uzyskanie w skali roku 400–600 kWh/m2 energii cieplnej z kolektorów słonecznych jest jak najbardziej możliwe, jednak zależy od wielu zmiennych. Podgrzewacze wody (solary wodne) pracują w bardzo zróżnicowanych warunkach, dlatego ich efektywność może się wyraźnie różnić. Do kluczowych czynników w ujęciu rocznym należą:
- Różnice konstrukcyjne i parametry poszczególnych typów kolektorów.
- Lokalne warunki pogodowe i klimat.
- Orientacja oraz montaż; najlepsze efekty daje ustawienie absorberów na południe przy nachyleniu ok. 45°. Gdy kolektory mają wspierać c.o., często korzystniejszy bywa większy kąt.
- Zacienienie przez budynki lub drzewa, a także silne zanieczyszczenie powietrza. Z obserwacji wynika, że spadek uzysku potrafi być większy niż sama redukcja nasłonecznienia.
- Im wyższa temperatura czynnika krążącego w instalacji, tym większe straty ciepła. Dlatego solarne wsparcie ogrzewania może być wyraźnie efektywniejsze niż podgrzewanie c.w.u., zwłaszcza przy niskotemperaturowym systemie centralnego ogrzewania.
Różnią się również koszty montażu kolektorów słonecznych. Najprostsze modele można znaleźć już od ok. 1000 zł, natomiast kolektory z wyższej półki kosztują zwykle co najmniej 6000 zł za sztukę. Cena kompletnego zestawu solarnego najczęściej mieści się w przedziale 6000–20 000 zł, choć w rozbudowanych instalacjach może być jeszcze wyższa.
Ile energii dają solary przy chmurach?
Najwięcej promieniowania słonecznego trafia do kolektorów ciepła przy idealnie bezchmurnym niebie, ale to nie znaczy, że w pochmurne dni instalacja przestaje pracować. Ilość pozyskiwanej energii zależy od warunków atmosferycznych i zwykle można przyjąć następujące poziomy:
- słoneczna pogoda – 100%;
- niewielkie zachmurzenie – 60%;
- duże zachmurzenie – 30%;
- całkowite zachmurzenie, słaba przejrzystość powietrza – 10%.
Najczęściej kolektory słoneczne montuje się na dachu domu, bo tam najłatwiej zapewnić im dobre nasłonecznienie. Alternatywą jest instalacja na południowej elewacji albo ustawienie kolektorów jako konstrukcji wolno stojącej na posesji. Jeśli kąt nachylenia dachu jest zbyt mały, stosuje się montaż na specjalnych podporach, które ustawiają panele pod korzystniejszym kątem. Choć kolektory słoneczne nie należą do najtańszych rozwiązań, to zestaw kosztujący nawet kilkanaście tysięcy złotych może zwrócić się w ciągu kilku lat — a przy okazji realnie ogranicza zużycie energii i wpływ na środowisko.
Rodzaje kolektorów słonecznych w praktyce
Kolektory płaskie
To najczęściej wybierany typ: kolektor z płaskim absorberem wykonanym z poczernionego metalu (najczęściej z aluminium lub miedzi). Pod płytą montuje się układ rurek, w których krąży czynnik grzewczy. Całość przykrywa szyba solarna chroniąca absorber — zwykle jest to hartowane szkło o grubości 4 mm. Rzadziej spotyka się osłonę z tworzywa sztucznego, bo jest mniej odporna na uszkodzenia i zazwyczaj szybciej się zużywa. Taka szyba ogranicza ucieczkę nagrzanego powietrza znad absorbera, a jednocześnie utrudnia wydostawanie się promieniowania cieplnego na zewnątrz.
Ich mocną stroną jest wysoka sprawność optyczna, natomiast minusem — zauważalne straty ciepła, gdy temperatura powietrza jest niska.
Kolektory próżniowo-rurowe
Budowane są z wielu rur próżniowych, którym towarzyszą metalowe reflektory. Odbijają one promienie słoneczne na rury z ciemnym absorberem. Zimą ich efektywność może spadać, szczególnie gdy szklane rury pokryje lód. Jednocześnie odporność na warunki atmosferyczne pozostaje porównywalna do tej, jaką oferują kolektory płaskie.
Kolektory próżniowe płaskie
To rozwiązanie spotykane rzadziej niż dwa poprzednie. Zasada pracy absorbera przypomina klasyczny kolektor płaski, ale za izolację termiczną odpowiada próżnia. Aby utrzymać odpowiednie parametry, możliwe (i potrzebne) jest okresowe odtwarzanie próżni przy użyciu pompy próżniowej.
Kolektory powietrzne
Tutaj rolę nośnika ciepła pełni powietrze, a nie woda. Podgrzane powietrze można kierować bezpośrednio do wnętrza budynku; gdy jest pobierane z zewnątrz, może jednocześnie wspierać wentylację. Tego typu kolektory sprawdzają się też przy wentylowaniu i osuszaniu budynków oraz przy suszeniu produktów rolnych.
Kolektory słoneczne a fotowoltaika: różnice
Dla jasności warto zaznaczyć, że kolektory słoneczne i panele fotowoltaiczne służą do zupełnie innych zadań. Choć na pierwszy rzut oka mogą wyglądać podobnie, kolektory wykorzystują energię słońca do bezpośredniego podgrzewania wody, a fotowoltaika przekształca promieniowanie słoneczne w energię elektryczną, którą można wykorzystać w domu.
Kolektory słoneczne najczęściej odpowiadają za podgrzewanie ciepłej wody użytkowej, mogą też wspierać instalację centralnego ogrzewania lub ogrzewać wodę w basenie. Jednorazowa inwestycja w system solarny pozwala przez wiele lat korzystać z darmowej, czystej energii ze słońca.