Rodzaje kolektorów słonecznych
Istnieje wiele różnych odmian kolektorów słonecznych różniących się między sobą budową.
Ze względu na zastosowany czynnik roboczy wyróżnia się kolektory słoneczne:
*cieczowe
*powietrzne
*dwufazowe
Do kolektorów cieczowych zaliczyć należy:
*próżniowe
*płaskie termiczne
*skupiające
*elastyczne (wykonane z tworzyw sztucznych)
Kolektory próżniowe
*heat – pipe
*z bezpośrednim przepływem czynnika solarnego
*z U – rurką
Cechy kolektora rurowego - próżniowego i płaskiego termicznego.
Każdy kolektor słoneczny posiada w swojej strukturze absorber, który jest odpowiedzialny za odbieranie energii słonecznej, a następnie przekazanie tej energii czynnikowi grzewczemu, ponadto wszystkie kolektory zaopatrzone są w szybę solarną, izolację i obudowę.
Absorber
Ze względu na budowę kolektora płaskiego, próżniowego z bezpośrednim przepływem i próżniowego z U – rurką, rolę absorbera może pełnić blacha (miedziana lub aluminiowa) pokryta substancją wysoko-selektywną. Od spodu blachy umiejscowione są kanały, przez które przepływa czynnik solarny, natomiast od strony szyby solarnej blacha może być pokryta absorberami różnego rodzaju: Tinox, Sun Selekt itp.W kolektorach płaskich rozkład rur absorbera może przybierać formę: harfową, podwójnej harfy lub meandryczną.
W kolektorach próżniowych zaopatrzonych w absorber miedziany - analogiczny do absorbera w kolektorach płaskich, rurka w której płynie czynnik solarny jest albo w kształcie u – rurki, albo jest to podwójna, współosiowa rurka miedziana. W przypadku kolektorów próżniowych typu heat – pipe absorber jest napylony na zewnętrzną powierzchnię wewnętrznej rury. Zatem, cała powierzchnia absorbera stanowi powierzchnię aktywną, bez względu na kąt padania promieni słonecznych na kolektor. W dodatku, kolektor taki, poza promieniowaniem bezpośrednim pochłania promieniowanie rozproszone oraz odbite (rys.1).
Rys.1. Schemat budowy kolektora rurowego próżniowego typu Heat – pipe.
Proces przenoszenia energii
W przypadku kolektorów płaskich, próżniowych typu U – rurka i kolektorów z bezpośrednim przepływem czynnika przenoszącym energie cieplną jest mieszanka glikolu i wody. W całym obiegu instalacji solarnej (wliczając kolektory) przepływa czynnik, który nagrzany przez kolektor trafia do wężownicy w zbiorniku solarnym lub na wymiennik ciepła, a jego energia jest przekazywana wodzie w zasobniku.
Przenoszenie energii w kolektorach typu Heat- pipe następuje w sposób dwufazowy. rurki cieplne (zwane również "Heat - pipe") wykonane z miedzi, napełnione są niewielką ilością alkoholu, którego temperatura wrzenia jest stosunkowo niska. Cykliczny ruch cieczy w rurkach cieplnych spowodowany jest nagrzewaniem się płynu i jego kondensacją. Rurka, ogrzewana energią słoneczną oddaje ciepło czynnikowi wewnątrz rurki cieplnej. Płyn zaczyna parować i kieruje się do części górnej rurki Heat – pipe – do kondensatora. W kondensatorze następuje wymiana ciepła, w wyniku której ciepło czynnika znajdującego się w rurce cieplnej jest przekazywane do glikolu, który krąży w instalacji. Para, która oddała ciepło skrapla się i grawitacyjne powraca na dno rurki cieplnej.
Rys.2 Schemat działania kolektora próżniowego typu Heat – pipe.
Izolacja
,Kolektory próżniowe, o podwójnej warstwie szyby solarnej posiadają najefektywniejszą izolację. W przestrzeni międzyrurowej panuje próżnia, czyli doskonały izolator. Dzięki temu rozwiązaniu straty energii do atmosfery, są zminimalizowane. W odróżnieniu od kolektorów rurowych próżniowych, które są zaizolowane od otoczenia próżnią, do zaizolowania kolektorów płaskich używa się wełny mineralnej, którą wyścielone jest dno kolektora. W przypadku kolektorów próżniowych, wełny mineralnej używa się do zaizolowania magistrali zbiorczej, w której znajdują się rurki zbiorcze czynnika grzewczego. Rury próżniowe umieszczone są szeregowo w zaizolowanej szynie zbiorczej.
Szyba solarna
Zarówno w przypadku kolektorów płaskich jak i próżniowych, szyba solarna powinna przepuszczać jak największą ilość promieni słonecznych. Dlatego, skład chemiczny szyby ma ograniczoną ilość związków żelaza, które utrudniają ten proces. ,Kolektory płaskie, posiadają często szyby z powłokami selektywnymi, ułatwiającymi przenikanie promieni słonecznych, czasami kolektory płaskie są zaopatrzone w szyby pryzmatyczne, które dodatkowo rozszczepiają wiązkę światła padającego ostatecznie na absorber. Należy jednak pamiętać, że w przypadku powierzchni płaskich, które mają większy współczynnik odbicia promieni słonecznych od powierzchni zakrzywionych, ważna jest każda porcja energii. Z uwagi na budowę kolektora próżniowego, należy wspomnieć, iż pochłania on zarówno promieniowanie bezpośrednie, odbite oraz rozproszone, co wpływa na jego łączna wydajność i całkowitą moc. Wszystkie szyby, niezależnie od rodzaju kolektora są szybami hartowanymi.
Obudowa
Analizując typy obudowy kolektora płaskiego, najczęściej spotyka się ramę wykonaną z jednego kawałka, giętego profilu aluminiowego. Dno kolektora stanowi blacha przymocowana do profilu i zamykająca cała bryłę. W przeciwieństwie do kolektorów próżniowych, trudno tutaj mówić o szczelności całego kolektora, gdyż do jego poprawnego funkcjonowania niezbędna jest jego miko-wentylacja, która mimochodem powoduje straty energii do otoczenia. Jako obudowę, która nadaje kształt kolektorom próżniowym można potraktować szynę zbiorczą. Jest ona wykonana z blachy aluminiowej, pomalowanej metodą proszkową na ciemny kolor.
Działanie instalacji solarnej
Zasada działania instalacji solarnej jest następująca: kolektor solarny zamienia promieniowanie słoneczne na energię cieplną, wykorzystując w tym celu absorber. Nośnikiem ciepła jest niezamarzający roztwór glikolu propylenowego krążący w instalacji, na skutek pracy pompy solarnej w zespole sterowniczo-pompowym. Bateria kolektorów połączona jest hydraulicznie z wężownicą umieszczoną w podgrzewaczu wody użytkowej dwoma rurami miedzianymi Nośnik, jakim jest roztwór glikolu pobiera ciepło z kolektorów a następnie oddaje energię cieplną w wężownicy, która nagrzewa wodę w podgrzewaczu.
Główne elementy instalacji:
Kolektor słoneczny
Urządzenie, które umożliwia przetworzenie energii promieniowania słonecznego w energię cieplną. Powinien on być skierowany w kierunku południowym (dopuszczane są odchylenia od kierunku południowego o wartości do 450). Pole kolektorów powinno być wyeksponowane i niczym nie przysłonięte, tak aby żaden komin, drzewo czy inna przeszkoda nie zacieniały jego powierzchni. Dopuszczalny jest montaż kolektorów na dachu, w połaci dachu, na fasadach lub na konstrukcjach wolnostojących.
Układ sterowniczo-pompowy
Jest to serce całej instalacji. Sterowanie pracą instalacji solarnej odbywa się przy pomocy regulatora różnicowo – temperaturowego. Sterownik taki zaopatrzony jest w sondy temperatur, które przekazują informacje o temperaturach: na kolektorze, w zbiorniku jak i w różnych punktach instalacji. Na podstawie zadanych różnic temperatury, regulator uruchamia, bądź wyłącza pompę solarną, która tłoczy płyn solarny.
Zasobnik c.w.u.
To element instalacji solarnej, w którym magazynowana jest woda do celów c.w.u. i często do celów grzewczych. Zasobnik na ciepłą wodę użytkową posiada izolację termiczną, wykonaną z pianki poliuretanowej lub wełny mineralnej. Zbiorniki solarne posiadają wbudowane wymienniki ciepła tzw. wężownice. Zaleca się aby zbiorniki solarne znajdowały się jak najbliżej uzupełniającego źródła ciepła, (np. kotła), co zapobiega niepotrzebnym stratom w instalacji podgrzewania c.w.u.
Czynnik roboczy
Czynnikiem grzewczym krążącym w ,instalacji solarnej, jest płyn solarny, charakteryzujący się bardzo niskimi temperaturami zamarzania oraz bardzo wysokimi temperaturami parowania. Zazwyczaj jest to roztwór glikolu propylenowego z wodą.
