Rodzaje kolektorów słonecznych
Mówiąc w skrócie, kolektory słoneczne to urządzenia, które pozwalają przekształcać energię promieniowania słonecznego w energię wykorzystywaną w naszych domach, np. do ogrzewania wody służącej do mycia. Ogólna zasada działania kolektorów jest taka sama. Ciepło promieni słonecznych pochłaniane jest przez absorber i przekazywane do rurek, przez które przepływa czynnik grzewczy (zwykle glikol). Nagrzana ciecz jest następnie transportowana do dalszej części instalacji solarnej. Kolektory słoneczne różnią się natomiast budową, która decyduje o ich funkcjonalności. Ma to kluczowe znaczenie przy wyborze typu urządzenia. Wyróżniamy dwa podstawowe rodzaje kolektorów: płaskie i próżniowe (próżniowo-rurowe).
Jak zbudowane są kolektory?
Kolektor płaski ma kształt prostokątnej, płaskiej (stąd nazwa urządzenia) skrzynki, której wierzch stanowi szklana osłona o bardzo wysokiej przepuszczalności promieni słonecznych i dużej odporności na uszkodzenia mechaniczne. Pod szkłem znajduje się absorber – ciemna płyta zbudowana z miedzi, mosiądzu lub aluminium. Świetnie pochłania ona promieniowanie słoneczne i emituje małe ilości ciepła. Do absorbera przylegają (zwykle miedziane) rury, przez które przepływa glikol, odbierający ciepło z absorbera. Dno i boczne ścianki kolektora wypełnia najczęściej izolacja, wykonana zazwyczaj z wełny mineralnej, która zapobiega utracie ciepła. Całość otoczona jest obudową, chroniącą urządzenie przed wpływem czynników zewnętrznych.
Kolektor próżniowy zbudowany jest z kolei z szeregu ułożonych równolegle rur szklanych, w których znajduje się absorber, pochłaniający z otoczenia ciepło słoneczne. Jego utracie zapobiega próżnia, najlepszy znany izolator, wytworzona wokół absorbera. Przyjęte ciepło dostarczane jest (umieszczonymi wewnątrz rur szklanych) miedzianymi rurkami lub ciepłowodami do kanału zbiorczego, czyli specjalnej, izolowanej skrzynki. Stamtąd glikol transportuje je do dalszej części instalacji. Istotnymi elementami kolektora są również obudowa, zabezpieczająca go przed czynnikami zewnętrznymi, oraz rama montażowa. Niektóre modele wyposażone są ponadto w lustro paraboliczne, które odbija promienie słoneczne w stronę absorbera.
Budowa a efektywność
„Budowa kolektorów ma znaczenie dla ich działania i wydajności. Kolektory płaskie najlepiej sprawdzają się w okresach o największym promieniowaniu, czyli od mniej więcej marca do końca września” – mówi Andrzej Karpiński, kierownik Działu Kogeneracji i doradca techniczny w firmie Wolf Technika Grzewcza. Duża efektywność kolektorów płaskich w tych miesiącach wynika z wysokiej tzw. sprawności optycznej – parametr ten określa, jak wiele energii słonecznej docierającej do urządzenia jest zamieniane na ciepło. „Kolektory próżniowe w tym okresie również sprawdzają się całkiem nieźle, a ich działanie można rozszerzyć o miesiące wiosenno-letnie i letnio-jesienne” – informuje ekspert. Umożliwia to właśnie budowa kolektorów próżniowych, która powoduje, że tracą one o wiele mniej ciepła od kolektorów płaskich. Jest to o tyle ważne, że im większa różnica między temperaturą absorbera a temperaturą otoczenia, tym sprawność kolektorów maleje. Gdy więc na dworze zimno, a nasłonecznienie małe, kolektory próżniowe będą pracować o wiele wydajniej od kolektorów płaskich, które – zwraca uwagę ekspert – „w okresie zwiększonej wietrzności albo chłodu oddają ciepło zyskane z promieniowania słonecznego”.
Konstrukcja kolektorów próżniowych nie jest jednak pozbawiona wad. Ponieważ wykorzystana w nich próżnia zapobiega oddawaniu nadmiaru ciepła do otoczenia, w lecie może dochodzić do przegrzewania instalacji solarnej, co grozi jej uszkodzeniem. Dzieje się tak np. wtedy, kiedy zainstalowaliśmy kolektory o zbyt dużej – w stosunku do naszych potrzeb – powierzchni pochłaniającej energię słoneczną czy też choćby z powodu długotrwałego braku prądu. Kolektorów płaskich problem przegrzewania dotyczy w mniejszym stopniu. Wszystko zależy jednak od właściwego doboru pojemności podgrzewanego zbiornika wody do powierzchni zastosowanych urządzeń.
Czy większy znaczy lepszy?
Oczywiście o efektywności kolektora nie decyduje wyłącznie sam jego typ. Istotne znaczenie ma również powierzchnia apertury, czyli tych części kolektora, które odbierają promienie słoneczne. W kolektorach płaskich jest ona zwykle większa. Może się więc zdarzyć tak, że kolektor płaski – chociaż mniej sprawny – dzięki większej powierzchni apertury będzie odbierał z otoczenia więcej ciepła od kolektora próżniowego i pracował lepiej. Podobnie kilka kolektorów płaskich będzie zazwyczaj wydajniejszych od jednego kolektora próżniowego. Warto pamiętać jednak, żeby nie kierować się wyłącznie rozmiarem urządzenia. Powierzchnia apertury nie jest bowiem tym samym, co powierzchnia całkowita kolektora – nie wszystkie części urządzenia przyjmują z otoczenia energię. Uważa się, że w instalacjach wykorzystywanych do ogrzewania wody użytkowej w domach jednorodzinnych zamieszkiwanych przez trzy, cztery osoby łączna powierzchnia apertury powinna wynosić ok. 3 m2 w przypadku kolektorów próżniowych, a ok. 4-4,5 m2 w przypadku kolektorów płaskich.
Jeśli chodzi o gabaryty urządzeń, kolektory płaskie są z reguły większe niż próżniowe. Wpływa to korzystnie na ich wydajność, ale utrudnia montaż i naprawę. Kolektory próżniowe mają za to tę zaletę, że łatwo je zainstalować, a w przypadku uszkodzenia którejś z rur można ją bez problemu wymienić i nie powoduje to konieczności wyłączania całego urządzenia – jest ono w stanie przez cały czas pracować. Jeśli uszkodzeniu uległby natomiast kolektor płaski – w celu naprawy – trzeba by go zdemontować. Nie zdarza się to jednak często. Jak zaznacza Andrzej Karpiński: „Kolektory płaskie są zdecydowanie trwalsze od kolektorów próżniowych. Szyba, przez którą przenika promieniowanie słoneczne, zazwyczaj jest szybą hartowaną. Miewa nawet 3,5, często do 4 mm grubości. Sprawia to, że gradobicie czy jakiś kamień niefortunnie wystrzelony spod opony nie zdewastują tego kolektora. Niestety nie można tego powiedzieć o kolektorach próżniowych, którym nawet zwykłe gradobicie potrafi uczynić sporo szkód”. Aby mieć pewność, że urządzenie będzie wydajne i odporne na uszkodzenia mechaniczne, przy zakupie należy zwrócić uwagę na jakość wykonanych elementów. Najlepszą gwarantują zwykle firmy renomowane, o ugruntowanej pozycji na rynku.
Cena a wydajność
W tym miejscu trzeba wspomnieć o jeszcze jednej ważnej zmiennej, którą należy wziąć pod uwagę przy wyborze urządzenia. Mowa o cenie. Zestawy dostępne na naszym rynku kosztują od ok. tysiąca do nawet kilkunastu tysięcy zł, przy czym – jak zaznacza ekspert – „kolektory próżniowe będą mniej więcej dwukrotnie droższe od kolektorów płaskich o tej samej powierzchni absorbera netto”. Różnice cenowe niekoniecznie przekładają się jednak na różnice w wydajności. Oczywiście, w przypadku kolektorów próżniowych jest ona z reguły wyższa, ale nie aż dwukrotnie. Średnio w skali roku są one wydajniejsze o mniej więcej 30%. Problem w tym, że swą przewagę nad kolektorami płaskimi uzyskują głównie w okresach przejściowych (latem jest na odwrót), przy niskiej temperaturze powietrza i dużym zachmurzeniu. Ponieważ jednak w takich warunkach promieni słonecznych i tak dociera do absorbera mało, a dni są stosunkowo krótkie, ta przewaga jakościowa tylko w stosunkowo niewielkim stopniu przekłada się na zyski ciepła dla domu. Przy porównaniu stosunku ceny urządzenia do jego wydajności kolektory płaskie wygrywają więc z próżniowymi. Pozyskiwane z nich ciepło jest tańsze.
Płaski czy próżniowy? To zależy…
Kryterium cenowe nie powinno być jednak decydujące. Nabierze ono większego znaczenia, gdy zdecydowaliśmy się na dany rodzaj kolektora i zastanawiamy się już wyłącznie nad konkretnym modelem. Ale wcześniej należy odpowiedzieć sobie na zasadnicze pytania: do czego urządzenie będzie nam potrzebne i przez ile miesięcy rocznie zamierzamy korzystać z jego pracy? Podstawowym zastosowaniem kolektorów jest ogrzewanie wody użytkowej – pozwalają one zmniejszyć koszty z tym związane nawet o 50-60%. Należy tu zauważyć, że w naszych warunkach klimatycznych instalacja solarna jedynie w miesiącach letnich, przy dobrym nasłonecznieniu, jest w stanie wytworzyć ciepło zapewniające 100% zapotrzebowania na wodę użytkową. Przez dużą część roku, przede wszystkim w zimie, energii słonecznej trafia jednak zbyt mało, aby kolektory mogły podgrzać wodę w zbiorniku do temperatury umożliwiającej kąpiel. W skali całego roku instalacja solarna wytwarza zaledwie ok. 50-70% ciepła wymaganego do ogrzania wody. W domach użytkowanych przez pełne 12 miesięcy konieczne jest zatem stosowanie oprócz kolektorów drugiego źródła ciepła.
Jeśli chcemy, żeby kolektor pozwolił nam oszczędzać na ogrzewaniu wody użytkowej przez cały rok, ale przede wszystkim w miesiącach jesienno-zimowych, a przy okazji wspomógł, choć w minimalny sposób, centralne ogrzewanie, lepszym rozwiązaniem będzie zakup kolektora próżniowego. Sprawdzi się on wiosną oraz latem i poradzi lepiej od kolektora płaskiego w okresie jesienno-zimowym, a więc wtedy, kiedy nasze zapotrzebowanie na energię jest największe. Pewnym problemem mogą być tylko osadzające się na rurach szron i śnieg, utrudniające lub nawet uniemożliwiające pracę urządzenia. Ponieważ kolektory próżniowe oddają znikome ilości ciepła do otoczenia, rozmarzają powoli. Znacznie lepiej radzą sobie z tym kolektory płaskie. Należy dodać, że jeśli chcemy, aby instalacja solarna wspomagała centralne ogrzewanie, konieczne będzie zastosowanie większej liczby kolektorów próżniowych. Nasz dom musi ponadto oddawać do otoczenia małe ilości ciepła, powinno być w nim stosowane ogrzewanie niskotemperaturowe, a my latem musimy poradzić sobie jakoś (np. przez podgrzewanie basenu) z nadwyżkami ciepła, które mogą powodować przegrzewanie. W przeciwnym razie korzyści wynikające z wykorzystania kolektorów próżniowych będą minimalne – inwestycja się nie opłaci.
Kolektor płaski jest z kolei dobrym rozwiązaniem do instalacji, które mają jedynie służyć do ogrzewania wody użytkowej. Nada się do tego zwłaszcza w lecie – będzie wtedy bardziej efektywny od kolektora próżniowego. Podczas pochmurnych, zimnych dni straci jednak na wydajności i prawdopodobnie będzie miał problemy z podgrzaniem wody do odpowiedniej temperatury. Co więcej, w zimie na jego powierzchni może osadzić się gęsty śnieg – zwłaszcza jeśli kolektor jest pochylony do płaszczyzny poziomej pod niskim kątem, mniejszym niż 30° – który utrudni odbiór promieni słonecznych i sprawi, że urządzenie przestanie na jakiś czas efektywnie działać. Na szczęście stosunkowo łatwo je odśnieżyć. Kolektor płaski nie przyda się również, jeśli chcemy wspomóc centralne ogrzewanie, którego przecież potrzebujemy przede wszystkim właśnie w miesiącach jesiennych i zimowych. Jest on za to bardzo dobrym wyborem przy instalacjach sezonowych. Świetnie nada się także do ogrzewania ogrodowego basenu lub ciepłej wody użytkowej w domkach letniskowych.
Który kolektor opłaca się zatem kupić bardziej? Odpowiedź na to pytanie nie jest wcale taka prosta. Jak już wspomniano, zależy to głównie od tego, do czego urządzenie będzie nam potrzebne. „W naszych warunkach klimatycznych, jeżeli zamierzamy korzystać tylko i wyłącznie sezonowo z ciepłej wody użytkowej, czyli tej, która służy nam do mycia, tak naprawdę w zupełności wystarczające są kolektory płaskie. Gdybyśmy mieli np. pensjonat, który będzie działał również w okresach przejściowych (wiosenno-letnich i jesienno-letnich), kolektory próżniowe będą rozwiązaniem lepszym” – twierdzi Andrzej Karpiński.
Czy zakup kolektora ma w ogóle sens?
O tym, że wykorzystywanie energii słonecznej jest opłacalne finansowo, nie trzeba chyba nikogo przekonywać. Zwrot kosztów przeznaczonych na instalację solarną normalnie powinien nastąpić po okresie od kilku do kilkunastu lat – zależy to od różnych czynników, przede wszystkim od ilości zużywanej ciepłej wody, rodzaju podstawowego źródła ciepła w domu oraz przeznaczenia kolektora. „Inwestycja powinna się opłacać wszędzie tam, gdzie liczymy się z w miarę sporym zużyciem ciepłej wody użytkowej w naszym budynku. Gdybyśmy mieszkali we dwoje, rzeczywiście się to nie opłaca. W momencie, kiedy mamy trzy dorastające córki, które będą się kąpać trzy razy dziennie, albo jeśli prowadzimy hotelik czy pensjonat, już kolektory mają sens” – uważa ekspert. Zakup urządzenia zwróci się szybciej, gdy skorzystamy z – działającego do końca 2014 r. – programu Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, który zapewnia 45-procentowe dopłaty do kredytów bankowych na zakup i montaż kolektorów. Pamiętajmy jednak, że dzięki kolektorowi słonecznemu nie tylko zaoszczędzimy na rachunkach, lecz także zmniejszymy emisję szkodliwych substancji do otoczenia, co wpłynie pozytywnie na nasze środowisko naturalne. Instalacja solarna zapewni nam więc zarówno korzyści ekonomiczne, jak i ekologiczne.
