Jak pracują kolektory słoneczne płaskie i próżniowe?

W polskich warunkach najwięcej Energii Promieniowania Słonecznego (EPS) dostępnej jest w tzw. przedziale pory ciepłej – w miesiącach IV-IX, na który przypada 80% rocznej energii promieniowania słonecznego. Pozostałe 20% przypada na resztę roku, tak więc występuje tutaj umowny, ale wyraźny podział „pół na pół”: 6 miesięcy korzystnych i 6 miesięcy mniej korzystnych warunków dla pracy kolektorów słonecznych.

Rys. 1. Przybliżony rozkład Energii Promieniowania Słonecznego w okresie roku dla warunków Polski

Wydaje się takie skonstruowanie kolektora słonecznego, aby przede wszystkim uwzględnić jego warunki pracy w okresie pory ciepłej, by przy największych dawkach nasłonecznienia, móc pozyskiwać jak najwięcej ciepła. Na rynku oferowane są 2 podstawowe typy kolektorów słonecznych – płaskie i próżniowe. Ze względu jednak na rodzaj pracy, z punktu widzenia odbiorcy czyli klienta, tak więc należy wyróżnić 3 typy kolektorów słonecznych:

1. Kolektory płaskie
2. Kolektory próżniowe 1-ścienne
3. Kolektory próżniowe 2-ścienne

Przeważnie wybór klienta sprowadza się do dylematu „kolektor płaski czy próżniowy?”. Utartą opinią jest przy tym zdecydowana wyższość kolektorów próżniowych nad płaskimi, czym jak się okazuje kieruje się znaczna grupa klientów, nie zawsze z korzyścią dla siebie. Prawdą jest, że kolektory próżniowe w porównaniu do kolektorów płaskich, posiadają skuteczniejszą izolację cieplną. Izolacja cieplna jest szczególnie istotna przy wysokich różnicach temperatury pomiędzy absorberem, a otoczeniem kolektora. Ale uzysk ciepła zależy w pierwszej kolejności od sprawności optycznej kolektora słonecznego – od ilości promieniowania słonecznego, jakie będzie mogło dotrzeć do płyty absorbera.

Rys. 2. Kolektory próżniowe, pod warunkiem, że uzyskują wyższe wydajności od płaskich, mogą być stosowane w mniejszej powierzchni – szczególnie w małych instalacjach słonecznych.(kolektor płaski ST 191 DE, oraz kolektor jednościenny próżniowy).

„Na przykładzie trzech charakterystycznych kolektorów słonecznych, występujących na rynku polskim, dla których wzięto pod uwagę dane techniczne producentów, można prześledzić jak pracują one latem i zimą. W okresie letnim, przy idealnych warunkach (1000 W/m2) i przy standardowych zakresach pracy instalacji (różnica pomiędzy temperaturą absorbera, a otoczeniem dT = 50K), porównanie mocy jednostkowych wskazuje na wyższość kolektora słonecznego z pojedynczą rurą szklaną (657 W/m2). Tylko w specyficznych warunkach pracy (jeszcze większe różnice dT) kolektor próżniowy z podwójną rurą szklaną może uzyskiwać podobne lub wyższe wydajności niż kolektor płaski dobrej klasy technicznej (617 W/m2). Tutaj jego wydajność jest wyraźnie niższa (559 W/m2).”

Rysunki wykorzystane ze strony www.solarblog.pl

Jeżeli więc w okresie letnim, kolektory próżniowe o podwójnej rurze szklanej nie uzyskują wyższych wydajności niż kolektory płaskie, to może ich wyższa wydajność będzie widoczna w okresie zimowym? Jeżeli założyć, korzystne warunki pracy – słoneczny i nawet mroźny dzień (nasłonecznienie zimą niższe niż latem: 600 W/m2) oraz to, że powierzchnie szyb kolektorów są wolne od śniegu, to wydajności kolektorów słonecznych: płaskiego oraz próżniowego z podwójną rurą szklaną, będą porównywalne. Wydajność kolektora próżniowego „1-ściennego” będzie w tych warunkach pracy wyższa o ok. 12% (369 W/m2).

Rysunki wykorzystane ze strony www.solarblog.pl

Jednak praktyka pokazuje, że tak dobre warunki pracy w okresie zimowym występują stosunkowo rzadko. Przede wszystkim na powierzchni szyb występuje śnieg lub szron, z którym najpierw musi się uporać kolektor słoneczny. Czas rozmrożenia powierzchni szyby zależy poza nasłonecznieniem jego powierzchni i grubością warstwy osadów, w znacznej mierze od strat ciepła kolektora słonecznego do otoczenia. I wówczas paradoksalnie, skuteczna izolacja cieplna kolektorów próżniowych – w szczególności „2-ściennych”, stanowi przeszkodę do szybkiego rozmrożenia powierzchni szyby i rozpoczęcia pracy kolektora. Straty ciepła do otoczenia są bowiem w kolektorach „2-ściennych” niewielkie (5 W/m2) w porównaniu do kolektorów próżniowych „1-ściennych” (18 W/m2) i tym bardziej do – płaskich (25 W/m2).

Rysunki wykorzystane ze strony www.solarblog.pl

Co istotne, skuteczniejsza izolacja kolektorów słonecznych „2-ściennych” wcale nie przekłada się zimą na wyższe uzyski ciepła niż dla kolektorów „1-ściennych” i w przeważającym okresie – dla kolektorów płaskich. W warunkach polskich zim, gdzie często mamy do czynienia z opadami śniegu, a także wilgotnym powietrzem tworzącym szron, okazuje się z obserwacji nieraz, że kolektory słoneczne próżniowe „2-ścienne” nie zdążą w ciągu dnia całkowicie się rozmrozić. Taki stan może trwać nawet kilka dni, co potwierdzają badania w Niemczech (Fachhochschule Ingolstadt) i obserwacje w USA (neastsolar.com).

Podobne obserwacje można prowadzić także w Polsce. 27 marca br. w rejonie Katowic w sposób praktyczny obserwowano szybkość rozmrażania się kolektorów płaskich i próżniowych „1-ściennych”. Różnica w ich przypadku nie była duża, kolektory próżniowe „1-ścienne” rozmroziły się z niewielkim opóźnieniem w stosunku do płaskich, a ich wyższa wydajność cieplna pozwoli zrekompensować z pewnością mniejsze uzyski w początkowej fazie pracy. Natomiast w tym samym czasie szereg kolektorów próżniowych „2-ściennych” na budynkach w okolicy pozostawała przykryta szronem. Ta sytuacja wydłużała się do paru godzin, a nawet paru dni w innych okresach zimy 2010/2011.

Rys. 3. Rozmrażanie kolektorów słonecznych: 27 marca 2011 r., temperatura zewnętrzna o godzinie 07:30 = – 4 oC

Reasumując: Jaki jest więc sens stosowania kolektorów próżniowych „2-ściennych”, skoro ich cena jednostkowa (PLN/m2) jest wyższa niż dla dobrej klasy kolektora płaskiego, o około 20-30%, a sprawność pracy niższa? Można zaryzykować stwierdzenie, że niedoświadczenie inwestorów na młodym jeszcze polskim rynku kolektorów słonecznych. W krajach zachodnioeuropejskich udział kolektorów próżniowych w całym rynku to przeważnie parę procent (dane ESTIF za 2009r.: Niemcy 13%, Szwajcaria 8%, Francja 3%, Austria 2%), przy czym są to rozwiązania wydajne w pracy – przede wszystkim kolektory próżniowe „1-ścienne”. Polska należy do grupy kilku państw, gdzie udział ten jest wysoki (PL 2009: 35%) na rzecz przede wszystkim kolektorów próżniowych o niskiej cenie i nie zawsze najwyższej jakości oraz wydajności pracy, co starano się wyjaśnić w tym artykule.

Jeśli Państwo macie jakieś pytania prosimy o kontakt:
Sanok, ul. Przemyska 24E
Tel. 13 46 46 120
Kom. 515 155 900 lub 515 155 903

Serdecznie zapraszamy!

ZOBACZ REALIZACJE FIRMY SOLARTIME

Tekst sponsorowany