Kolektory słoneczne

Instalacje słoneczne, kolektory słoneczne

W ciągu ostatniej dekady instalacje słoneczne zyskały znacząco na popularności, co spowodowane jest m. in. coraz większą świadomością społeczeństwa o zagrożeniach dla środowiska spowodowanych emisją zanieczyszczeń do atmosfery oraz korzyściami finansowymi wynikającymi z inwestycji w OZE. Na wzrost ich opłacalności w ciągu ostatnich kilku lat wpłynęły nieustannie rosnące ceny paliw kopalnych (przekładające się na wysokie ceny energii) oraz szerokie wsparcie UE w zakresie OZE polegające na udzielaniu dotacji, niskooprocentowanych kredytów itd. Szczególnie widoczne jest to w przypadku termicznych kolektorów słonecznych, za pośrednictwem których, energia promieniowania słonecznego przetwarzana jest na ciepło. Przyznawane od 2010 roku przez NFOŚiGW dotacje na instalacje solarne spowodowały kilkukrotny wzrost udziału kolektorów słonecznych na rynku instalacyjnym. Przyczyniło się to do powstania wielu firm z branży techniki grzewczej specjalizujących się w produkcji, dystrybucji oraz montażu kolektorów słonecznych. Obecnie na rynku dostępnych jest wiele rodzajów kolektorów słonecznych charakteryzujących się różnymi parametrami cieplnymi i technicznymi, które determinują ich efektywność oraz możliwości zastosowania ich w instalacji grzewczej w budynku. Odpowiedni dobór kolektorów słonecznych oraz prawidłowe zwymiarowanie całej instalacji solarnej przekłada się na nie tylko na efektywność jej pracy ale również szybki zwrot inwestycji.

Typy kolektorów słonecznych

Istnieje wiele różnych typów kolektorów słonecznych. Jednakże rozważając ich zastosowanie głównie do wspomagania instalacji C.W.U. i C.O. (rzadziej podgrzewania wody w basenie) oraz warunki klimatyczne panujące w Polsce, należy zwrócić uwagę na najbardziej efektywne technologie. Stanowią je cieczowe kolektory słoneczne, w których jako czynnik grzewczy wykorzystywany jest niezamarzający wodny roztwór glikolu.

Na rynku instalacyjnym dostępne są dwa główne typy cieczowych kolektorów słonecznych:
a) Kolektory płaskie – składające się z pokrytej selektywną powłoką płaskiej płyty absorbera wykonanej z miedzi lub aluminium, która przykryta jest szklaną osłoną i obudowana izolacją termiczną (zazwyczaj wełną mineralną) w celu zmniejszenia strat ciepła do otoczenia. Ciepło odbierane jest z absorbera za pomocą czynnika grzewczego przepływającego przez orurowanie w układzie meandrycznym lub harfowym.
b) Kolektory próżniowe (próżniowo-rurowe) – składające się z rur próżniowych, w których osadzony jest pokryty selektywną powłoką absorber w postaci miedzianego listka lub wewnętrznej rury. Próżnia izoluje absorber od otoczenia znacząco zmniejszając straty ciepła w porównaniu z kolektorami płaskimi. Ciepło odbierane jest z absorbera za pośrednictwem wymienników ciepła: rury w rurze (tzw. direct flow), u-rurki lub rurki ciepła (tzw. heat-pipe). Każda rura próżniowa podłączona jest do rozdzielacza hydraulicznego w którym płynie niezamarzający czynnik grzewczy obiegu solarnego. Dodatkowym elementem stosowanym w przypadku kolektorów próżniowych jest reflektor skupiający promieniowanie słoneczne tzw. CPC (ang. Compound Parabolic Concentrator).

Uzupełnienie stanowią kompaktowe solarne podgrzewacze ciepłej wody użytkowej, które zbudowane są z rur próżniowych i zasobnika na wodę. Działają one na zasadzie termosyfonu czyli unoszenia się wody o wyższej temperaturze, która ogrzewana w rurach próżniowych trafia do umieszczonego nad nimi zasobnika. Jednakże straty ciepła oraz możliwość zamarznięcia wody w zasobniku i orurowaniu instalacji ogranicza ich zastosowanie w warunkach klimatycznych panujących w Polsce.

Dobór kolektora słonecznego

Tematyka pt: „płaski czy próżniowy?” chociaż wielokrotnie poruszana na portalach i forach branżowych, jest bardziej obszarem działań marketingowych firm specjalizujących się w produkcji, dystrybucji i montażu kolektorów słonecznych, aniżeli merytoryczną dyskusją. Dzieje się tak dlatego, że nie istnieje jednoznaczna odpowiedź na pytanie który typ kolektora słonecznego jest najlepszy, ponieważ rozbieżności w parametrach cieplnych występują już na poziomie poszczególnych firm produkujących dany typ kolektora słonecznego (kolektor próżniowy 30 rurowy X potrafi mieć dwukrotnie lepsze parametry cieplne niż jego odpowiednik firmy Y). Dodatkowo kolektor próżniowy X będzie charakteryzował się lepszymi parametrami cieplnymi niż kolektor płaski Z, podczas gdy kolektor próżniowy Y już niekoniecznie, itd. Głównymi parametrami cieplnymi branymi pod uwagę przy wyborze kolektora słonecznego to sprawność cieplna oraz współczynniki strat ciepła, które wpływają na jego moc cieplną przy danej różnicy temperatur pomiędzy kolektorem a otoczeniem. Parametry te wyznaczane są podczas określania charakterystyki cieplnej w akredytowanych laboratoriach wg obowiązującej normy EN 12975. Na podstawie raportów z tych badań wystawiany jest certyfikat Solar Keymark, który nie należy mylić z certyfikatem jakości, gdyż jest on jedynie potwierdzeniem zgodności z w/w normą. Natomiast aneks do certyfikatu Solar Keymark jest użytecznym narzędziem służącym do porównania parametrów cieplnych kolektorów słonecznych poszczególnych firm.
Podczas doboru kolektora słonecznego należy zwrócić uwagę na fakt, iż z punktu widzenia inwestora istotna jest jego cena oraz efektywność (warunkuje ją w/w moc cieplna), która przekłada się na okres zwrotu inwestycji. Dlatego też, głównym kryterium przy wyborze odpowiedniego kolektora słonecznego powinna być cena [zł] za każdą jednostkę uzyskanej przez niego mocy cieplnej [W].

Przykład 1:
Kolektor słoneczny X
Mocy cieplna (G= 1000 W/m2)*: 2000 W dla (Tm-Ta= 30 K)**
Cena: 3000 zł
Kolektor słoneczny Y
Moc cieplna (G= 1000 W/m2)*: 1500 W dla (Tm-Ta= 30 K)**
Cena: 2500 zł
* natężenie promieniowania słonecznego, G, W/m2
* * różnica temperatur kolektor-otoczenie, Tm-Ta, K
Rozwiązanie:
Cena jednostkowa mocy cieplnej kolektora X: 1,5 zł/W
Cena jednostkowa mocy cieplnej kolektora Y: 1,66 zł/W

Odpowiedź:
Kolektor słoneczny X będzie korzystniejszym rozwiązaniem, ponieważ pomimo wyższej jego ceny w porównaniu do kolektora słonecznego Y, charakteryzuje się on niższym kosztem uzyskanej mocy cieplnej.
Ponadto kolektory słoneczne charakteryzują również inne parametry takie jak temperatura stagnacji i modyfikator kąta padania.

Temperatura stagnacji kolektora słonecznego zwana też temperaturą postojową jest to maksymalna temperatura jaką jest w stanie osiągnąć kolektor słoneczny. Kolektor wówczas osiąga stan równowagi, w którym oddaje tyle samo ciepła do otoczenia co sam wytwarza.

Z punktu widzenia użytkownika instalacji solarnej istotne jest aby temperatura stagnacji była możliwie jak najniższa, gdyż zbyt wysokie temperatury wpływają na szybsze zużywanie się poszczególnych jej elementów oraz czynnika grzewczego. W tym miejscu należy zaznaczyć, że dobrze zwymiarowana i skonfigurowana instalacja solarna nie powinna osiągać temperatury stagnacji kolektorów.
Modyfikator kąta padania jest współczynnikiem, który warunkuje uzysk energetyczny kolektora słonecznego w zależności od kąta padania promieniowania słonecznego. Podawany jest zazwyczaj dla szerokiego zakresu kątów padania w dwóch płaszczyznach: prostopadłej i równoległej do osi optycznej kolektora słonecznego. W ciągu dnia położenie słońca względem kolektora ulega zmianie dlatego też przed południem i po południu zmianie ulega również kąt padania promieniowania słonecznego. Innymi słowy, modyfikator kąta padania służy do określania z jaką sprawnością będzie pracował kolektor słoneczny przed i po południu, tak więc im wyższe jego wartości tym większy uzysk energetyczny w ciągu dnia. Kolektory płaskie charakteryzują wartości zazwyczaj poniżej 1, podczas gdy kolektory próżniowe z cylindrycznym absorberem (wewnętrzną rurą stanowiącą absorber) charakteryzują wartości powyżej 1. Dzieje się tak dlatego, że cylindryczny kształt absorbera w kolektorze próżniowym umożliwia tzw. pasywne śledzenie promieniowania słonecznego sprawiając, że dopóki rury próżniowe w kolektorze nie będą się wzajemnie zacieniać, kąt ten będzie zawsze optymalny.

Elementy instalacji solarnej

Bez względu na zastosowanie instalacje solarne zasilane cieczowymi kolektorami słonecznymi składają się z następujących elementów:
a)   Grupa pompowa – jest to element instalacji solarnej, którego zadaniem jest wymuszenie i regulacja obiegu czynnika grzewczego (solarnego). Grupy pompowe wyposażone są w pompę obiegową, zawory regulacji przepływu, manometry, termometry oraz często przepływomierze. Rozróżnia się grupy pompowe jedno i dwudrogowe. Grupy dwudrogowe umożliwiają lepszą kontrolę parametrów pracy instalacji, dlatego też zalecane są w przypadku bardziej rozbudowanych systemów zasilanych większymi powierzchniami kolektorów słonecznych.
b)   Regulator solarny – jest to układ sterujący pracą instalacji solarnej. Odpowiada on za włączanie i wyłączanie pompy obiegu solarnego w zależności od wskazań czujników temperatury w kolektorze słonecznym i odbiornikach ciepła. Bardziej zaawansowane wersje regulatorów solarnych posiadają wiele schematów wymagających obsługi większej ilości pomp, elektrozaworów oraz czujników temperatury umożliwiając zastosowanie kolektorów słonecznych w bardziej rozbudowanych instalacjach.
c)   Zasobnik (podgrzewacz) C.W.U./Zbiornik buforowy – element odpowiadający za odbiór ciepła z instalacji solarnej. Ze względu na niestabilny tryb pracy kolektorów słonecznych (uzależniony od zmiennego nasłonecznienia i temperatury otoczenia) nie jest możliwe aby w danej chwili pokryć w pełni zapotrzebowanie na ciepło. Dlatego też istnieje potrzeba akumulacji ciepła produkowanego przez kolektory słoneczne, do czego wykorzystywane w zależności od zastosowania instalacji, zasobniki C.W.U i zbiorniki buforowe. W instalacjach solarnych wykorzystuje się zazwyczaj pojemnościowe podgrzewacze C.W.U. Kolektory słoneczne nie są w stanie pokryć w 100% zapotrzebowania na ciepło dlatego też zasobniki wyposażone są w dwie wężownice (tzw. biwalentny tryb pracy) umożliwiające podłączenie drugiego, niezależnego źródła ciepła.
d)   Odpowietrznik solarny/Separator powietrza – stosowane zamiennie elementy instalacji solarnej służące do jej odpowietrzania. Odpowietrznik solarny montuje się w najwyższym punkcie instalacji (zazwyczaj przy kolektorach słonecznych), separator powietrza znajduje się zazwyczaj w kotłowni.
e)   Zawór bezpieczeństwa i solarne naczynie przeponowe (wzbiorcze) – urządzenia zabezpieczające instalacje przed nadmiernym wzrostem ciśnienia w instalacji. Naczynie przeponowe służy do kompensowania wzrostu objętości czynnika grzewczego spowodowanego wzrostem temperatury. W przypadku osiągnięcia maksymalnego dopuszczalnego ciśnienia w instalacji (tzw. ciśnienia nastawy zaworu bezpieczeństwa) otwiera się zawór bezpieczeństwa wyrzucając tym samym nadmiar czynnika grzewczego. Ciśnienie nastawy zaworu bezpieczeństwa w instalacjach solarnych to zazwyczaj 6 bar.
Uzupełnieniem instalacji jest orurowanie zazwyczaj miedziane lub ze stali nierdzewnej w otulinie kauczukowej stanowiącej izolacje cieplną. W instalacji solarnej jak każdej innej instalacji grzewczej i hydraulicznej stosuje się również armaturę regulacyjno-przyłączeniową.
Często spotykaną praktyką firm zajmujących się produkcją i dystrybucją kolektorów słonecznych jest posiadanie w swojej ofercie zestawów solarnych przeznaczonych dla standardowych przypadków. Mimo wszystko zalecane jest aby każdorazowo zwrócić uwagę na specyfikę danej instalacji oraz inne uwarunkowania mogące wpłynąć na jej pracę.

Opłacalność instalacji solarnej

Dobrze zwymiarowana instalacja solarna potrafi zaoszczędzić ok. 60% energii potrzebnej na przygotowanie ciepłej wody użytkowej oraz 15-20% w przypadku niskotemperaturowego ogrzewania pomieszczeń. Na rysunku 1 przedstawiono procentowy kolektorów słonecznych w instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej dla 3-5 osobowej rodziny w ciągu roku.

Rys. 1. Procentowy udział energii promieniowania słonecznego w przygotowaniu C.W.U. w ciągu roku.

Kolektory słoneczne są w stanie w pełni pokryć zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową od maja do sierpnia. Najmniejszy udział kolektorów słonecznych w przygotowaniu C.W.U. przypadł na miesiące: listopad, grudzień i styczeń osiągając wartość ok. 20%. Jednakże, w ciągu roku kolektory słoneczne pokryły 60% zapotrzebowania na ciepło do przygotowania C.W.U. umożliwiło to zmniejszenie zużycia paliw konwencjonalnych. Wynikające z tego oszczędności przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Oszczędności wynikające z zastosowania instalacji solarnej do przygotowania c.w.u dla 3-5 osobowej rodziny w zależności od rodzaju paliwa.

Rodzaj paliwa   Oszczędność w skali roku
propan [dm3]              1 174 zł
olej opałowy [dm3]               1 044 zł
koks [kg]                     499 zł
gaz ziemny [m3]                     512 zł
węgiel kamienny [kg]               330 zł
miał węgla [kg]                       248 zł
pellet [kg]                    580 zł
ekogroszek [kg]                 332 zł
drewno [mp]                 450 zł
elektryczność taryfa d [kWh]    1 228 zł
elektryczność taryfa n [kWh]       737 zł

Należy zaznaczyć, że koszt takiej instalacji w zależności od producenta zestawu waha się w granicach od 8 tys. do 20 tys. zł. Jednakże przy rzeczywistym dofinansowaniu z NFOŚiGW wynoszącym 30-40 %, okres zwrotu inwestycji w kolektory słoneczne znacząco spada, czyniąc ją opłacalną.

Instalacje solarne cennik

Ceny instalacji solarnych są uzależnione od wielu czynników, takich jak gabaryty budynku czy zastosowane urządzenia wchodzące w skład instalacji. Należy zwrócić uwagę na fakt, iż koszt instalacji solarnej jest każdorazowo wynikiem oględzin budynku i ustaleń z inwestorem co do klasy jakościowej i cenowej urządzeń. Aby jednak uściślić zakres cenowy instalacji solarnej, można przyjąć, że instalacja solarna w zależności od rozmiaru mieści się w przedziale cenowym według w tabeli.

Przykładowa instalacja solarna wyposażona w zasobnik C.W.U. stalowy emaliowany, dwudrogowa grupa pompowa, kolektory próżniowe ze wszystkimi elementami składowymi wraz z montażem.

Kompletna instalacja solarna z montażem	Zakres cenowy, brutto 8% VAT
Zasobnik C.W.U. 200L 2-3 osoby	10-13 tyś zł.
Zasobnik C.W.U. 300L 3-4 osoby	12-14 tyś zł.
Zasobnik C.W.U. 500L 4-6 osób	14-16 tyś zł.

Ceny przedstawione w powyższej tabeli nie uwzględniają dofinansowania, dlatego też należy zwrócić uwagę na fakt, że pozyskanie środków na zakup i montaż instalacji z NFOŚiGW lub innej instytucji wiąże się ze znaczącym obniżeniem jej kosztów. Większe instalacje służące do przygotowania C.W.U.; wspomagania instalacji C.O. oraz innych odbiorników ciepła podlegają indywidualnej wycenie.