Dlaczego kolektory słoneczne "nie działają"?

Początek XXI wieku to era kolektorów słonecznych. Wiele mówi się i pisze na temat ich wykorzystania w gospodarstwie domowym. W poszczególnych regionach Polski przeznacza się fundusze na dofinansowanie instalacji. Dlaczego zatem – często – instalacje te nie dają satysfakcjonujących efektów dla ich użytkowników? Spróbuję w tym artykule to przeanalizować.

Czym są i jak działają kolektory

Kolektory słoneczne wodne – tzw. panele słoneczne - służą do podgrzewania cieczy niezamarzającej (głównie glikolu) w zamkniętym obiegu, aby później poprzez wymiennik podgrzać wodę użytkowaną w gospodarstwie. Kolektory dzieli się na dwie grupy: płaskie i próżniowe. Podstawowa różnica polega na sposobie pozyskiwania energii z promieni słonecznych oraz strat jakie generują same kolektory podczas ogrzewania cieczy.

Kolektory płaskie mają większe straty energii, gdyż obudowa kolektora nagrzewa się proporcjonalnie do temperatury nagrzanej cieczy. W kolektorach próżniowych, obudowa praktycznie nie rozgrzewa się, przez to straty są mniejsze. Zatem projektowana powierzchnia kolektorów próżniowych będzie mniejsza niż odpowiednik płaski w tych samych warunkach eksploatacji.

Podstawowym elementem gwarantującym zwrot inwestycji jest prawidłowy dobór powierzchni kolektorów i ich ustawienie względem Słońca. Pozostałe parametry są pomijalne, gdyż przyjmuje się, że straty przesyłu są nieistotne (przy prawidłowej instalacji), natomiast pojemność tzw. bufora – wymiennika - jest (lub powinna być) ściśle związana z powierzchnią kolektorów.

Aby kolektory pozyskiwały energię, promienie słoneczne muszą dotrzeć do powierzchni kolektora. Największą efektywność uzyskuje się, gdy promienie padają prostopadle do powierzchni kolektora. Każde zachmurzenie powoduje zmniejszenie uzyskanej energii. Polska ze względu na swe położenie geograficzne, ma niemal na całej swej powierzchni jeden schemat nasłonecznienia. W dużym skrócie można opisać go tak: w okresie zimowym promienie słoneczne padają pod katem min. 15 stopni do powierzchni Ziemi, natomiast w lecie pod katem max. 65 stopni. Ponadto w okresie zimowym ilość energii dostarczonej jest wielokrotnie (10-15 razy) mniejsza niż w okresie letnim. Ta różnica jest bardzo duża. Zatem na etapie projektowania trzeba dokładnie określić swoje potrzeby. Ja używam dwóch prostych określeń: system zimowy (czyli wykorzystanie kolektorów do CWU oraz do wspomagania CO ) oraz system letni (tylko do CWU).

Kilka użytecznych danych technicznych

Powierzchnia kolektorów liczona jest na podstawie tabel poszczególnych producentów. Niestety dotychczas firmy sprzedające i montujące kolektory bazują na wytycznych ich producentów, które są odniesione do warunków klimatycznych strefy Zachodniej Europy. I tu jest przyczyna, dla której kolektory “nie działają”.

W tabelach renomowanych firm przyjmuje się optymalny kąt ustawienia paneli na 30-45 stopni i wykorzystanie w fazie projektowej na 70% zapotrzebowania. Można powiedzieć”tylko” na 70%, ale ze względu na dużą różnicę w ilości nasłonecznienia w różnych dniach i porach roku to jest czasami “aż” 70%. (np. w dwóch kolejnych dniach sierpnia można uzyskać 0 % energii gdy będzie cały czas padać, lub uzyskać 110% energii, gdy będą dwa słoneczne dni bez jednej chmurki). I aby nie przekroczyć 100% projektuje się na 70% przeciętnych warunków.

Z powyższych założeń przyjęło się, że 2 kolektory próżniowe wystarczą na obsługę 4 osobowej rodziny. I dla takich parametrów przygotowane jest dofinansowanie instalacji.

A co z efektywnością...?

Tymczasem, aby kolektory działały efektywnie w odczuciu użytkownika, kolektory muszą być ustawione na jeden z wyżej opisanych systemów: letni lub zimowy.

W systemie letnim kolektory powinny być ustawione pod kątem 50-60 stopni od powierzchni Ziemi , czyli blisko max. letniego promieniowania. I wówczas wystarczą 2 kolektory próżniowe. Ale będą one czynne tylko i wyłącznie w okresie od 01, czerwca do 31,sierpnia. W pozostałym okresie roku ich wykorzystanie będzie bliskie zeru.

Natomiast dla systemu zimowego ich ustawienie powinno być zbliżone do 20 stopni czyli bliskie minimalnemu kątowi padania promieni słonecznych w zimie. Ale wówczas liczba kolektorów próżniowych będzie wynosić 4. Co więcej dla systemu zimowego bardziej wskazane są kolektory płaskie (i wówczas potrzeba ich 6-7) , gdyż ogrzewająca się obudowa “zrzuca” śnieg z powierzchni czynnej kolektora. A co będzie latem przy takiej liczbie kolektorów. Różnica kątów powoduje, że w okresie letnim promienie słoneczne “ślizgają się” po powierzchni kolektora, przez to panel przechwytują tylko część energii wówczas padającej.

Tego typu rozumowanie zrealizowałem doświadczalnie i dziś, na podstawie obserwacji już 5 letnich, jestem w pełni zadowolony z systemu zimowego.

W telegraficznym skrócie

Reasumując powyższe, aby być system kolektorów słonecznych działał, czyli dawał satysfakcję Inwestorowi, oprócz dofinansowania (co najmniej 45 % kosztów) musi być zaprojektowany dla kątów poniżej 30 stopni (dla systemu zimowego) lub powyżej 45 stopni (dla systemu letniego). Uśrednianie w tym przypadku jest najgorszym rozwiązaniem.

Opracowano:
Inż. Wojciech Michno
Pracownia Projektowa Wojciech Michno
Kraków, 25.01.2013