Systemy solarne

Ciepło, które jest przechwycone przez kolektor słoneczny jest odprowadzane do zasobnika solarnego za pomocą płynu solarnego w celu dalszego wykorzystania. Dobry sterownik działa w taki sposób, że wychwytuje każdą nadwyżkę ciepła, jaką można przekazać i zakumulować w zasobniku solarnym oraz często wyposażany jest w funkcję regulacji obrotów pompy solarnej i zabezpieczenia kolektorów przed ich przegrzaniem.

Produkcja ciepła przez kolektory solarne często mija się w czasie z zapotrzebowaniem na nie dlatego instalacje solarne z reguły są wyposażane w zasobniki solarne. Wykorzystanie pozyskanego ciepła zależy od naszych potrzeb, np. może to być wspomaganie wytwarzania, a w miesiącach letnich wyłączne wytwarzanie ciepłej wody użytkowej.

System solarny może być wykorzystany także do wspomagania niskotemperaturowych instalacji centralnego ogrzewania (co) lub do podgrzewania wody w basenie. Instalacje solarne wyposażane są w sterowniki, które nadzorują nie tylko nad optymalnym wykorzystaniem ciepła słonecznego, ale także kontrolują całą instalacją centralnego ogrzewania, przygotowania i dystrybucji ciepłej wody użytkowej, łącznie z regulowaniem pracy kotła, który może być opalany gazem, olejem lub węglem i reagowaniem na zmiany pogodowe.

Promienie słoneczne padające na kolektor solarny zostają zamienione w ciepło i przekazane do krążącego w nim nośnika (płyn solarny), którym jest mieszanką glikolu propylenowego z wodą. Zamiana energii słonecznej na energię cieplną następuje w absorberze kolektora słonecznego. Odpowiednio podgrzany płyn solarny zostaje przepompowany do wymiennika ciepła. Rolę wymiennika może pełnić wężownica lub wymiennik zewnętrzny. Wymiennik przejmuje ciepło z płynu solarnego i przekazuje go do wody użytkowej, przemysłowej lub basenowej. Następnie wychłodzony już czynnik trafia na powrocie do kolektora słonecznego, gdzie następuje jego ponowne podgrzanie.

Instalacja solarna pracuje na zasadzie różnicy temperatur. Regulator różnicowy odczytuje temperaturę kolektora i podgrzewacza. Jeżeli różnica temperatury pomiędzy punktami pomiarowymi wzrośnie powyżej zadanej na regulatorze, uruchamia się pompa solarna, która tłoczy płyn solarny (nośnik). Praca pompy solarnej ustaje gdy różnica temperatur osiągnie zadaną na regulatorze temperaturę wyłączenia. Ponieważ temperatura uzyskiwana w kolektorach słonecznych w słoneczny dzień osiąga ponad 200 C, ciśnienie czynnika osiąga znaczne wartości. W związku z tym każda instalacja solarna musi być zabezpieczona przed nadmiernym wzrostem ciśnienia.

Rolę zabezpieczenia pełnią:

1) naczynia przeponowe, które umożliwiają magazynowanie nadmiaru płynu solarnego zwiększającego swą objętość pod wpływem wzrostu temperatury
2) zawór bezpieczeństwa

Ogólne zasady projektowania systemów solarnych

Kolektory słoneczne stanowią dodatkowe źródło energii, więc źródło podstawowe należy dobierać na podstawie całkowitego obliczenia zapotrzebowania na moc cieplną, wg. bilansu cieplnego budynku. Solary dostarczają energię, którą można w przybliżeniu zmierzyć.

Sprawność systemu solarnego w głównej mierze zależeć będzie od intensywności poboru ciepła, np. gdy w ciągu słonecznego dnia kolektory nagrzewają się do wysokich temperatur i jednocześnie brak jest rozbioru ciepłej wody, sprawność systemu znacząco maleje. Z tego powodu powinno się wartość stopnia pokrycia zapotrzebowania na energię cieplną, na potrzeby przygotowania ciepłej wody, traktować szacunkowo.

Najprościej można przyjmować następujące wskaźniki:

- pojemność zasobnika ciepłej wody możemy przyjąć jako iloczyn ilości osób korzystających z ciepłej wody i przybliżonej ilości zużywanej wody na osobę (60-75l)
- powierzchnia kolektorów słonecznych, można przyjąć liczba osób pomnożona przez wskaźnik 1-1,5 m2 powierzchni kolektorów.

Przykładowo dla rodziny pięcioosobowej przyjmiemy powierzchnię kolektorów około 5-7,5 m2. Jeden m2 kolektora słonecznego daje w przybliżeniu ok. 300-400 kWh energii cieplnej w skali całego roku.

Ustawienie kolektorów słonecznych.

Do optymalnego wykorzystania energii promieniowania słonecznego przez solary wymagane jest odpowiednie ich ustawienie. Ustawienie to określa się poprzez: kąt nachylenia i kąt azymutu kolektora słonecznego.

Kątem nachylenia panela słonecznego jest kąt alfa pomiędzy płaszczyzną poziomą i płaszczyzną solara.

Absorber odbiera największą ilość energii, gdy płaszczyzna solara słonecznego jest ustawiona prostopadle do promieni słonecznych. Ponieważ kąt padania promieni słonecznych zależy od pory dnia i roku, płaszczyzna solara powinna być ustawiona odpowiednio do położenia słońca podczas okresu występowania największego napromieniowania. Kąt pochylenia kolektora powinien wynosić 25 – 60 stopni. W Polsce optymalny kąt pochylenia mieści się w granicach 30 – 45 stopni, przy czym dla instalacji typowo letnich takich jak baseny kąpielowe, zalecane są niższe wartości kąta alfa.

Kąt azymutu wynosi 0st. gdy płaszczyzna kolektora skierowana jest na południe. Czyli kąt azymutu jest to odchylenie płaszczyzny kolektora od kierunku południowego.

W południe promieniowanie słoneczne jest najintensywniejsze i kolektor ma najlepsze osiągi. W praktyce dopuszcza się odchylenie kąta azymutu w granicach ±45 stopni, co powoduje zmniejszenie uzysków energetycznych o ok. 10%.

Informacje dotyczące eksploatacji systemów grzewczych z kolektorami słonecznymi:

Instalacja kolektorów słonecznych w okresie letnim podczas nieobecności domowników może pracować w sposób niezakłócony i nie trzeba jej wyłączać. Instalacja solarna jest tak skonstruowana, że nie grozi przegrzanie wody użytkowej. Jedynie przy braku odbioru ciepłej wody użytkowej przez użytkowników możliwe jest podgrzanie wody w zasobniku solarnym do około 80 stopni.

W instalacjach solarnych, w przypadku zaniku zasilania w energię elektryczną, może dojść do otwarcia zaworu bezpieczeństwa i wyrzucenia płynu solarnego z obiegu grzewczego kolektorów. W przypadku braku odbioru ciepła i przy intensywnym promieniowaniu temperatura czynnika osiąga 200-250 stopni, a tym samym płyn solarny wytwarza wysokie ciśnienie wewnątrz obiegu. Gdy ciśnienie przekroczy wartość około 6 barów, wówczas otwiera się zawór bezpieczeństwa i następuje wyciek płynu solarnego. Po zadziałaniu zaworu bezpieczeństwa oczywistą sprawą jest, że należy uzupełnić płyn w układzie. W instalacjach z kolektorami słonecznymi zaleca się stosowanie baterii termostatycznych, których zadaniem jest niedopuszczenie do wypływu wody o zbyt wysokiej temperaturze, poprzez wymieszanie z wodą zimną.

W instalacjach solarnych istotna jest regulacja natężenia przepływu płynu grzewczego. Regulację osiągamy dzięki zastosowaniu regulatora natężenia przepływu i poprzez wybór stopni wydajności solarnej pompy obiegowej.