Budowa - kolektor solarny

Podstawowymi elementami systemu solarnego są kolektory solarne, zasobnik solarny oraz grupa solarna. W układzie solarnym płynie płyn solarny (mieszanina wody ze środkiem niezamarzającym zwanym glikolem), którego przepływ przez kolektory słoneczne wymuszany jest przez solarną pompę obiegową.

Zestaw kolektorów solarnych zmienia energię promieniowania słonecznego w ciepło i przekazuje je poprzez przewodzenie za pośrednictwem blachy absorbera płynowi solarnemu w kolektorach. Podgrzany płyn solarny przekazuje ciepło poprzez wymiennik ciepła wodzie użytkowej w zasobniku solarnym. Płyn solarny schłodzony w wymienniku jest pompowany następnie z powrotem do solarów słonecznych i obieg zamyka się. W momencie osiągnięcia wymaganej temperatury ciepłej wody użytkowej solarna pompa obiegowa zostaje wyłączona a instalacja solarna przechodzi w stan spoczynku. Jeżeli instalacja solarna jest w stanie stagnacji a kolektory solarne nadal poddane są działaniu promieniowania słonecznego i może dojść do parowania płynu solanego, by zapobiec uszkodzeniu podzespołów instalacji solarnej stosowanych jest szereg urządzeń zabezpieczających, takich jak zawór bezpieczeństwa, zawór zwrotny oraz naczynie wzbiorcze.
W okresach małego nasłonecznienia, gdy niemożliwe jest osiągnięcie wymaganej temperatury w zasobniku solarnym woda użytkowa podgrzewana jest konwencjonalnie.

Kolektory próżniowe służą do podgrzewania ciepłej wody użytkowej przez cały rok kalendarzowy oraz wspomagania systemów nisko-temperaturowych centralnego ogrzewania. Kolektory próżniowe są dostosowane do całorocznej pracy w Polsce jak i całej strefie klimatycznej Europy. Technologia zwana jako heat pipe czyli tzw. "rurka ciepła" gwarantuje ogromny zysk energii cieplnej, długoletnią żywotność systemu solarnego, niezawodność, odporność na warunki pogodowe, niskie koszty stosowania, eksploatacji oraz prosty montaż na różnych pokryciach dachowych zarówno płaskich jak i pochyłych.

Obsługująca zestaw grupa solarna oprócz głównych funkcji realizuje też automatyczną regulację prędkości przepływu z wyświetlaniem jej wartości, ochronę przed przegrzewaniem, jak i zamarzaniem kolektora oraz zbiornika (awaryjne podgrzewanie), czasowe mieszanie obiegu ciepłej wody użytkowej.

Kolektor solarny

Kolektor słoneczny (solar) jest podstawowym elementem każdej instalacji solarnej przekształcającej energię słoneczną w ciepło i przekazującej to ciepło poprzez absorber płynowi solarnemu. W chwili obecnej rynek instalacji solarnych do pozyskiwania ciepłej wody użytkowej opanowany został przez dwa podstawowe rodzaje kolektorów słonecznych czyli kolektor płaski oraz kolektor próżniowy.

Rodzaje kolektorów słonecznych

Kolektor próżniowy rurowy

W instalacjach solarnych do pozyskiwania ciepłej wody wykorzystywane były głównie kolektory płaskie. Stosowanie kolektorów próżniowych było często odrzucane z uwagi na znaczną różnicę w cenie tych kolektorów. Wyższe koszty wynikające z zastosowania kolektorów próżniowych nie były często rekompensowane wyższym zyskiem solarnym kolektorów rurowo-próżniowych. Ostanie lata przyniosły zdecydowaną redukcję kosztów produkcji kolektorów próżniowych, w efekcie ceny kolektorów rurowo-próżniowych znacznie spadły. Wyższa sprawność pozwala na oferowanie kolektorów próżniowych do podgrzewania ciepłej wody użytkowej dla obiektów o ograniczonej powierzchni dachowej pod kolektory lub płaskiej powierzchni dachowej o ograniczonej nośności. Umieszczone na takich dachach kolektory próżniowe z uwagi na swoją konstrukcję powodują niższe obciążenia wynikające z naporu wiatru lub nacisku warstwy śniegu.

Kolektor próżnowy płaski

Kolektor próżniowy płaski składa się z obudowy, selektywnego absorbera, szyby solarnej oraz izolacji cieplnej. Kolektory płaskie mogą być umieszczane w połać dachu, położone na niej, postawione na wolnej przestrzeni lub umieszczone na fasadzie budynku. Głównym elementem kolektora słonecznego jest absorber przekształcający promieniowanie słoneczne w energię cieplną. Absorber składa się z arkusza albo pasków metalowej blachy miedzianej lub aluminiowej połączonych z określoną ilością rur (rury absorbera) albo kanałów, przez które przepływa płyn solarny. Promieniowanie słoneczne podgrzewa absorber. Płyn solarny przepływający przez rurki absorbera odbiera zgromadzone przez absorber ciepło i transportuje je w kierunku zasobnika solarnego. Większość absorberów składa się z zespołu blach i rurek miedzianych, niewielka ich część składa się z blachy aluminiowej oraz rurek miedzianych. Wydajność absorbera zależy w znacznym stopniu od parametrów optycznych pokrycia, rodzaju materiału, geometrii oraz rodzaju przepływu płynu solarnego i wpływa znacznie na wydajność kolektora słonecznego. Powierzchnia absorbera pokryta powłoką wysokoselektywną i odporną na starzenie jest obecnie najwyższym osiągnięciem technologicznym. Dzięki zastosowaniu antyrefleksyjnej szyby solarnej oraz właściwej izolacji cieplnej minimalizuje się straty odbicia oraz straty ciepła w kolektorach.

Kolektory słoneczne nie posiadające powłoki selektywnej ze standardowym przykryciem szybą mogą być stosowane z powodzeniem do pozyskiwania ciepłej wody użytkowej latem oraz wstępnego podgrzewania w okresach przejściowych. Stosowanie pokrycia selektywnego powoduje zwiększenie kosztu absorbera ale uzyskuje się wyższy zysk solarny z identycznej powierzchni kolektora, można dzięki temu zastosować mniejszą ilość kolektorów dla osiągnięcia identycznej wydajności. Wahania energii promieniowania słonecznego oraz okresy słabego promieniowania wymagają stosowania energii konwencjonalnej dla zapewnienia wymaganej ilości ciepłej wody użytkowej. Z reguły podłączenie konwencjonalnego kotła grzewczego następuje za pośrednictwem drugiego wymiennika w zbiorniku i/albo elektrycznego elementu grzewczego. Wymiennik ten umieszczony jest w górnej części zbiornika (zasobnika). Pojemność podgrzewania nie powinna być większa niż koniecznie potrzebna, zwiększenie tej pojemności powoduje zmniejszenie pojemności przeznaczonej do podgrzewania solarnego. Wielkość wymiennika wynika z mocy kotła oraz potrzeb ciepłej wody użytkowej. Jako medium grzewcze stosowana jest w naszej szerokości geograficznej mieszanina wody z glikolem polipropylenowym (płyn solarny), zapewniająca zabezpieczenie przed zamarzaniem do co najmniej - 25°C. W przypadku stosowania w układzie solarnym wody występuje niebezpieczeństwo jej zamarznięcia i rozerwania rur. Dla polepszenia żywotności płynu solarnego producenci stosują odpowiednie dodatki uszlachetniające. Ponieważ dodatek środka antyzamarzającego powoduje zwiększenie pojemności cieplnej oraz wzrost lepkości a tym samym zwiększenie niezbędnej mocy pompy, nie należy przesadzać z ilością dodatku, z reguły stosuje się 40% koncentracji glikolu.

Elementy składowe kolektora słonecznego

Zasobnik solarny

Energia promieniowania ze słońca przekazana płynowi solarnemu gromadzona jest w zasobnikach solarnych wody użytkowej, uzupełnianych automatycznie. Zasobniki solarne magazynują ciepło na krótki lub długi czas. W standardowych instalacjach solarnych stosuje się zasobniki solarne magazynujące ciepłą wodę na krótki okres czasu, posiadają płaszcz stalowy, który na wewnętrznej stronie pokryty jest powłoką odporną na korozję i wysoką temperaturę a przed wszystkim posiadają odpowiedni atest. W przypadku stosowania płaszcza w całości ze stali nierdzewnej można zrezygnować ze stosowania specjalnych powłok ochronnych. Zadaniem zasobnika solarnego ciepłej wody jest zgromadzenie odpowiedniej ilości ciepłej wody użytkowej z uwzględnieniem czasowego przesunięcia pomiędzy dostępną energią promieniowania słonecznego a rzeczywistym zapotrzebowaniem na ciepłą wodę. Po całym dniu pełnego słońca zdarzyć się może deszczowy dzień. Energia słoneczna może być więc wykorzystana sensownie jedynie wówczas, gdy czasowe różnice między dostępną energią promieniowania słonecznego a zapotrzebaniem cieplnym zrównoważone zostaną przez stosowanie odpowiedniej pojemności zasobnika solarnego. W przypadku, gdy ilość energii słonecznej nie jest wystarczająca musi być zapewniona możliwość uzyskania wymaganej temperatury ciepłej wody użytkowej poprzez podogrzewanie konwencjonalne. Dodatkową energię dostarczy kocioł gazowy, olejowy, na pelety lub biomasę lub np. grzałka elektryczna.

Do gromadzenia ciepła na krótki okres czasu nadaje się również zbiornik wody grzewczej, tak zwany solarny zbiornik buforowy. Solarny zbiornik buforowy współpracuje bezpośrednio z instalacją centralnego ogrzewania. Zbudowany jest on identycznie jak wcześniej opisany zasobnik solarny ciepłej wody użytkowej ale znacznie tańszy ponieważ nie wymaga stosowania ochrony przed korozją. Wynika to z faktu, że woda grzewcza w wyniku braku tlenu działa mniej korozyjnie. Zgromadzone w buforze ciepło oddawane jest w przypadku potrzeby wodzie użytkowej w zasobniku ciepłej wody użytkowej za pośrednictwem wymiennika. W naszej szerokości geograficznej układ solarny oraz układ ciepłej wody użytkowej muszą być rozdzielone z uwagi na konieczność zabezpieczenia układu solarnego przed zamarzaniem za pośrednictwem środka antyzamarzającego. Energia cieplna zgromadzona przez płyn solarny ogrzany przez kolektory słoneczne przekazywana jest przez wymiennik ciepła bezpośrednio do układu ciepłej wody użytkowej albo do układu pośredniego (solarny zbiornik buforowy). Wymienniki ciepła znajdować się mogą bezpośrednio we wnętrzu zbiornika (wymiennik wewnętrzny) albo na zewnątrz (wymiennik zewnętrzny) zbiornika. W przypadku małych instalacji (o powierzchni kolektorów poniżej 15 m2) stosowane są wewnętrzne wymienniki ciepła (np. wężownica) a przypadku instalacji większych wymienniki zewnętrzne.

Elektronika solarna - regulatory solarne

Głównym zadaniem regulatora solarnego jest zapewnienie takiego transportu ciepła w układzie solarnym aby pozyskana przez kolektory słoneczne energia była wykorzystana jak najbardziej optymalnie. Za pośrednictwem czujnika temperatury w zasobniku solarnym kontroluje się czy niezbędne jest dostarczenie ciepła z kolektorów słonecznych. Temperatura w kolektorach słonecznych mierzona jest za pośrednictwem czujnika temperatury. Jeżeli niezbędne jest dostarczenie ciepła w celu podgrzania wody użytkowej oraz temperatura w kolektorach solarnych przewyższa temperaturę wody w zasobniku solarnym załączona zostaje solarna pompa obiegowa. Płyn solarny płynący przez układ solarny dostarcza ciepło niezbędne do podgrzania wody w zasobniku. W przypadku, gdy temperatura kolektorów nie posiada wymaganej wartości niezbędne jest konwencjonalne podgrzanie wody. Dzięki zastosowaniu czujnika temperatury w górnej części zasobnika możliwe jest kontrolowanie temperatury w aspekcie zabezpieczenia przed przekroczeniem temperatury maksymalnej. Gdy zostanie osiągnięta temperatura maksymalna następuje wyłączenie solarnej pompy obiegowej, również w przypadku, gdy dostępne jest jeszcze wystarczające promieniowanie słoneczne, dochodzi wówczas do unieruchomienia instalacji. Jeżeli występują często przypadki stagnacji w okresach dużego nasłonecznienia jest to najczęściej wynikiem zastosowania kolektorów o zbyt dużej powierzchni, nie dostosowanej do potrzeb ciepłej wody użytkowej. Ponieważ elementy instalacji poddane są niepotrzebnym obciążeniom cieplnym a sprawność instalacji maleje, należy zadbać o zredukowanie ilości przypadków unieruchomienia instalacji solarnej.

Zabezpieczenia - naczynie wzbiorcze, zawór bezpieczeństwa i manometr

Urządzeniami zabezpieczającymi system solarny są naczynie wzbiorcze, zawór bezpieczeństwa i manometr. Instalacje solarne należy tak projektować i wykonywać aby zapewnione było jak największe bezpieczeństwo instalacji jak i samych użytkowników. Oznacza to, że zabezpieczenie i załączanie układu solarnego wykonane jest w taki sposób aby również w przypadku dłuższego oddziaływania ciepła na kolektory bez odbioru ciepła z zasobnika solarnego nie dochodziło do niedopuszczalnego wzrostu ciśnienia albo awarii. Gdyby w najgorszym razie doszło do przekroczenia ciśnienia w instalacji solarnej ponad dopuszczalną wartość otworzy się zawór bezpieczeństwa i nastąpi "opróżnienie" instalacji. Część płynu solarnego znajdującego się w instalacji wypłynie poprzez przewód spływowy do przygotowanego zasobnika. Powstała strata płynu musi być koniecznie szybko uzupełniona.

W dużych instalacjach solarnych stosuje się zawór bezpieczeństwa na każdym polu kolektorów oraz centralny zawór bezpieczeństwa. Ciśnienie uruchamiania się zaworów bezpieczeństwa dobierane jest do wartości dopuszczalnego ciśnienia najsłabszego ogniwa w układzie solarnym. Naczynie wzbiorcze w instalacji solarnej powinno być zastosowane z dwóch powodów, w wyniku ogrzewania się płynu solarnego w kolektorach słonecznych dochodzi do zwiększenia się jego objętości, aby nie dochodziło do zwiększenia się ciśnienia w instalacji ta powiększona objętość musi być przejęta przez naczynie wzbiorcze, jeżeli woda w zasobniku solarnym osiągnie wymaganą temperaturę, pompa obiegowa wyłączy się i instalacja przejdzie w stan stagnacji. W wyniku działania promieniowania słonecznego temperatura w kolektorach wzrasta nadal a płyn solarny zaczyna wtedy parować. Zadaniem naczynia wzbiorczego jest przejęcie cieczy grzewczej wypchniętej przez parę z kolektorów słonecznych. Tym sposobem ograniczony zostaje wzrost ciśnienia w instalacji. W trakcie wychłodzenia instalacji dochodzi do skraplania pary. W wyniku wyrównania ciśnienia ciecz zacznie ponownie przepływać przez kolektory solarne. Manometr w instalacji służy do kontrolowania ciśnienia w instalacji i nastawienia ciśnienia wstępnego. Instalacja solarna samoistnie bezpieczna nie powoduje wyrzutu cieczy grzewczej przez zawór bezpieczeństwa również w przypadku postoju instalacji.

Pozostałe elementy instalacji solarnej

Pompa solarna

Jako pompy solarne stosowane są zwykle pompy obiegowe o specjalnych parametrach. Należy pamiętać, że pompy te muszą być przeznaczone do transportu płynu solarnego i odporne na wysokie temperatury nawet do +130°C. Aby dostosować pompę do wymaganej wydajności w instalacji niezbędne jest stosowanie pomp o stopniowanej prędkości obrotowej.

Odpowietrznik solarny

Zbieranie się powietrza w instalacji solarnej prowadzi do zakłócenia obiegu cieczy grzewczej a w ekstremalnym przypadku do zatrzymania instalacji. Odpowietrzenie pola kolektorów słonecznych jest więc zagadnieniem ważnym. Należy bezwzględnie stosować odpowietrzniki przygotowane do pracy w temperaturze do +150°C.

Orurowanie solarne

W zestawie kolektorów słonecznych stosuje się standardowo rury miedziane. Możliwe jest jednakże również stosowanie rur stalowych bez szwu lub spawanych. Niezbędne jest również właściwe zaizolowanie rur w całym układzie solarnym.

Solarny zawór zwrotny

Solarny zawór zwrotny zabezpiecza przez przepływami grawitacyjnymi w układzie kolektorów a co za tym idzie przed rozładowaniem zasobnika solarnego