Promieniowanie słoneczne może być pomocniczo stosowane do ogrzewania pomieszczeń w okresie zimowym. Może być również wykorzystane do wytwarzania energii elektrycznej, jednak nie jest to proces tak powszechny jak w przypadku innych źródeł energii odnawialnej.

Szacuje się, że ilość energii elektrycznej wytworzonej przy wykorzystaniu promieniowania słonecznego jest 27 razy mniejsza niż jej ilość wytworzona z wykorzystaniem energii wiatru. Jednak obecnie energia słoneczna wykorzystywana jest przede wszystkim do podgrzewania wody w układach ciepłej wody użytkowej poprzez zastosowanie kolektorów słonecznych.

Ilość energii słonecznej docierającej do ziemi jest zależna między innymi od szerokości geograficznej, pory roku i dnia oraz zachmurzenia. Przyjmuje się, że nasłonecznienie na powierzchni ziemi wynosi od 0 do 1050 W/m2. Jednak tylko część tej energii może być wykorzystana i zamieniona na ciepło, bowiem częściowo zostaje ona zaabsorbowana, a częściowo odbita. Również część zaabsorbowanej energii jest oddawana do otoczenia jako straty ciepła (przewodzenia i konwekcyjne). Straty ciepła przez przewodzenie można znacznie ograniczyć stosując izolację cieplną o odpowiednio dobranej grubości. Należy jednak pamiętać, że nie może ona ograniczać dostępu promieniowania do kolektora. Również konwekcyjne straty ciepła mogą zostać ograniczone, dzięki dobraniu przezroczystej powierzchni osłonowej. Temperatura osłony zależy od wielkości strumienia ciepła wymienianego w przestrzeni pomiędzy absorberem a osłoną.

Jak zbudowany jest kolektor 

Standardowy kolektor słoneczny składa się z :

1. Absorbera – powierzchnię tą stanowi metal (najczęściej blacha miedziana lub aluminiowa) pokryty odpowiednio dobraną warstwą selektywną np. NaOH lub NaClO2. Jego zadaniem jest maksymalizacja ilości absorbowanego promieniowania z jednoczesnym minimalizowaniem ilości energii odbitej. W bardziej zaawansowanych technologicznie rozwiązaniach spotyka się kolektory z układem luster płaskich, parabolicznych lub nawet soczewek, których zadaniem jest dodatkowe skupianie promieniowania słonecznego, a tym samym zwiększenie ilości promieniowania absorbowanego przez absorber.

2. Pokrycia – jego zadaniem jest ochrona absorbera przed uszkodzeniami i zabrudzeniami. Pokrycie kolektora powinno być odporne na działanie czynników atmosferycznych (ścierania wywołane śniegiem, gradem, wiatrem zawierającym kurz oraz promieniowanie nadfioletowe) oraz charakteryzować się dużą wytrzymałością na ściskanie i zginanie. Ponadto pokrycie winno być wykonane z materiału łatwego do utrzymania w czystości oraz zapewniającego przechodzenie jak największej ilości promieniowania słonecznego. W tabeli 1 podano parametry trzech przykładowych materiałów stosowanych na pokrycia.

Tabela 1. Właściwości materiałów stosowanych jako pokrycie kolektorów.

3. Izolacji – jak już wspomniano jej zadaniem jest ograniczenie strat energii przez przewodzenie. Bardzo istotne jest dobranie odpowiedniej grubości izolacji dla kolektora. Przyjmuj się, że straty ciepła nie powinny przekraczać 1 W/m² dla kolektorów całorocznych oraz 5 W/m² w przypadku kolektorów letnich. Wybierając kolektor nie należy sugerować się tylko grubością izolacji, bowiem jej skuteczność zależna jest od właściwości cieplnych użytego materiału (analogicznie do izolacji przegród budynku, np. ścian). Jako materiał izolacyjny w tego typu urządzeniach stosowane są najczęściej: wełna mineralna (λ = 0,035 W/(K·m)), poliuretan spieniony (λ = 0,024 W/(K·m)) oraz polistyren spieniony (λ = 0,034 W/(K·m)).

4.  Elementów armatury i konstrukcyjnych – stanowią je: obudowa, zawory, króćce, konstrukcja nośna. Rodzaj tych elementów zależny jest od zastosowanej technologii oraz przyjętych przez producenta urządzenia standardów.

Jakie są rodzaje kolektorów

Najbardziej rozpowszechnionym na rynku są kolektory płaskie. Standardowy cieczowy kolektor płaski ma kształt prostopadłościanu o długości 1,20 – 2,00 m, szerokości 0,60 – 1,40 m i wysokości 0,08 – 0,10 m. Absorbery wykonane są z blachy miedzianej, aluminiowej lub stalowej z układem kanałów przepływowych. Wytworzone w nim ciepło jest przekazywane do czynnika roboczego przepływającego przez kanały. Kanaliki, którymi przepływa czynnik roboczy, mogą mieć różnych kształt i mogą być różnie wytworzone. Najczęściej ułożone są one równolegle względem siebie i powstają poprzez przyspawanie lub przylutowanie rurek do profilowanej lub płaskiej blachy. Mogą one również być wykonane jako integralna część absorbera utworzonego z profilowanych blach stalowych połączonych ze sobą poprzez miejscowe zgrzanie lub walcowanie. Czynnikiem roboczym jest płyn o niskiej temperaturze wrzenia (ciecz niemarznąca np. na bazie glikolu). W układach takich woda jest podgrzewana w wymienniku, a przepływ czynnika wymusza pompa obiegowa. 

Odmianą kolektora płaskiego jest kolektor rurowy zwany również próżniowym. Aby wyeliminować straty ciepła w urządzeniu tym pomiędzy pokryciem, a płytą absorbera lub rurką pochłaniającą wytwarzana jest próżnia. Dzięki wykorzystaniu tego zjawiska minimalizowane są starty ciepła przez konwekcję,  co umożliwia wykonanie kolektora bez wielowarstwowego pokrycia. W tego typu urządzeniach może wystąpić układ z cyrkulacją cieczy pośredniczącej w wymianie ciepła (jak w kolektorze płaskim) lub z wykorzystaniem rurek ciepła. W tym drugim przypadku przepływ ciepła jest dwufazowy: ciepło pobierane jest w wyniku odparowania cieczy, a do układu oddawane jest poprzez kondensację. W przestrzeni próżniowej znajduje się rurowy absorber, w którym umieszczona jest rura obiegowa, prosta lub w kształcie litery U, odbierająca ciepło.  Spotykane są również kolektory, w których ciecz wpływa i wypływa osobnymi rurkami. Wymiary pojedynczej rurki nie przekraczają 2 m długości oraz średnicy 25 mm, co wiąże się najczęściej z koniecznością łączenia ich w zestawy. Niewątpliwą zaletą tego typu kolektorów jest możliwości pracy w niskich temperaturach. Stosunkowo niewielka wrażliwość na kąt padania promieni słonecznych oraz możliwość wykorzystania promieniowania bezpośredniego jak i rozproszonego pozwala na montaż tych urządzeń na dachach ze spadkiem, ale również płaskich. Główną wadą jest skomplikowana konstrukcja wynikająca z konieczności zachowania szczelności, problemy dylatacją cieplną oraz trudności z zabezpieczeniem pokrywy szklanej przed uszkodzeniami mechanicznymi.

Warto wspomnieć również o kolektorach skupiających. Charakteryzują się one małymi wymiarami oraz bardzo dużymi ilościami uzyskiwanej mocy. Elementem charakterystycznym jest tutaj układ luster lub soczewek, których zadaniem jest skupienie promieniowania docierającego do powierzchni pochłaniającej. Warunkiem koniecznym w tym układzie jest zachowanie prostopadłego ustawienia kolektora w stosunku do kierunku padania promieni słonecznych. Dlatego też zwykle wyposażone one są w elementy umożliwiające obrót wraz z ruchem słońca. Ze względu na możliwości uzyskiwania mocy nawet kilkuset W znajdują z reguły zastosowanie w instalacjach wysokotemperaturowych. Ich wadą jest stosunkowo niska sprawność wynikająca ze zróżnicowania gęstości strumienia promieniowania padającego na różne obszary absorbera, strat związanych z wielokrotnym pochłanianiem i dobijaniem promieni słonecznych w układach soczewek i luster, a także wyższą temperaturę pracy. 

Czy instalacja kolektorów się opłaca?

Opłacalność zainstalowania układu solarnego zależna będzie od jego sprawności. Najprościej rzecz ujmując sprawnością µ nazywamy stosunek uzyskanego strumienia energii użytecznej Q_u do strumienia energii promieniowania:

gdzie I to wartość promieniowania słonecznego wyrażona w [W/m²] natomiast A_k to powierzchnia adsorpcyjna kolektora w [m²].

Sprawność kolektora można wyznaczyć również jako wypadkową jego parametrów technicznych:

w którym:

m – masowe natężenie przepływu czynnika w kolektorze [kg/s],

c_p – ciepło właściwe czynnika [J/(kg·K],

t_wy – temperatura czynnika wylotowego [K lub °C],

t_wl – temperatura czynnika wlotowego [K lub °C].

W praktyce sprawność kolektora będzie wypadkową jego:

• sprawności optycznej, zależnej od przepuszczalności szyby solarnej, która powinna być jak największa (zwykle wynosi ok. 0,9 co oznacza, że 90% padającego promieniowania dociera do absorbera),
• pochłaniania promieniowania przez absorber,
• sposobu wymiany ciepła,
• strat ciepła zależnych od izolacji cieplnej kolektora oraz emisyjności absorbera.

Jak widać sprawność kolektora, a więc i ilość pozyskiwanej energii zależna jest od wielu czynników. Dlatego też w celu maksymalnego wykorzystania promieniowania docierającego do urządzenia należy pamiętać o jego odpowiednim usytuowaniu tj. zorientowaniu na południe z odchyleniem 45° w kierunku wschodnim lub zachodnim w przypadku obszarów zacienionych. Ilość uzyskanej energii można również zwiększyć stosują poniższe rozwiązania:

• automatyczny system zmieniający położenie kolektora, aby zmieniał on swoje położenie wraz z ruchem Słońca,
• stosowanie powłok ograniczających wielkość promieniowania odbitego,
• skupianie promieniowania słonecznego na właściwym obszarze poprzez zastosowanie koncentratorów parabolicznych lub systemu soczewek.

W tym przypadku należy jednak pamiętać, że zastosowanie każdego z powyższych rozwiązań wiązać się będzie z dodatkowymi kosztami co znacznie wydłuży okres zwrotu inwestycji lub spowoduje brak uzasadnienia ekonomicznego dla zastosowania kolektora.

            Rozpatrując aspekt ekonomiczny musimy zdawać sobie sprawę, że optymalnie zaprojektowana instalacja solarna może zapewnić 90 – 100 % zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkowa jedynie latem. Przyjmuje się, że w skali roku zapotrzebowanie to jest zaspokajane w około 50 - 60 %. Pozostałą cześć energii trzeba będzie dostarczyć z innego źródła (energia elektryczna, gaz, olej, węgiel). Orientacyjne wskaźniki pokrycia zapotrzebowania na c.w.u. dla czterech, sześciu, ośmiu i dwunastu kolejnych miesięcy w roku można wyznaczyć z wykresu 1. 

Wykres 1. Stopień pokrycia zapotrzebowania na c.w.u. dla czteroosobowej rodziny w 4,6,8 i 12 kolejnych miesiącach roku w zależności od powierzchni kolektorów wg. W.M. Lewandowski – Proekologiczne odnawialne źródła energii.

Jednoznaczna odpowiedź na pytanie o opłacalność zastosowania takiej instalacji  jest niezmiernie trudna i wymaga każdorazowo szczegółowej analizy. Pamiętajmy, że cena samego kolektora to jedynie 40 – 50 % ceny całej instalacji. Pozostałe koszty to zasobnik ciepłej wody – ok. 15 – 20 % , regulator, pompa obiegowa, armatura itd. to kolejne 15 – 20 %. Pozostałe 20 – 30 % stanowią koszty montażu. W wielu przypadkach możliwe jest ograniczenie wydatków poprzez wykorzystanie istniejących elementów np. zasobnika i pompy obiegowej oraz wykonaniu części prac samodzielnie. Oczywiście okres zwrotu zależny będzie też od lokalizacji budynku, lokalizacji i rodzaju kolektora, wielkości zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową oraz alternatywnej możliwości jej przygotowania (rodzaj paliwa, sprawność urządzenia). Dla domu jednorodzinnego zamieszkiwanego przez 4 osoby, przy założeniu zapotrzebowania na c.w.u wynoszącym 60 dm³/osobę wciągu doby, przyjmując podgrzanie wody zimnej o temperaturze 10°C do temperatury 45°C, przy założeniu powierzchni zestawu solarnego 3,20 m² i jego sprawności µ = 80% oraz energii elektrycznej jako alternatywnego sposób przygotowania ciepłej wody użytkowej, prosty czas zwrotu (SPBT) będzie wynosił kilkanaście lat. W obliczeniach przyjęto jednak wykonanie kompletnej instalacji z odrębnym zasobnikiem. Jak zawsze należy pamiętać, że poza aspektem ekonomicznym równie istotnym powinien być aspekt ekologiczny. W. M. Lewandowski w Proekologicznych odnawialnych źródłach energii podaje, że dzięki zastosowaniu zestawu kolektorów słonecznych o powierzchni 5 m² zostanie ograniczona emisja do atmosfery przeciętnie 19,5 kg SO₂, 15 kg NO_x, 2500 kg CO₂ oraz 175 kg pyłu i żużlu. Jednak produkcja kolektorów to proces energochłonny co pociąga za sobą emisję produktów spalania, a po zakończonej eksploatacji pozostaje problem ich utylizacji. Ze względu  na brak szczegółowych danych dotyczących kosztów utylizacji oraz wielkości emisji zanieczyszczeń w procesie produkcji decyzję o zastosowaniu kolektorów słonecznych jako źródła przygotowani ciepłej wody użytkowej należy pozostawić inwestorowi w oparciu o szczegółową analizę ekonomiczna i ekologiczną.

dr inż. Marek Telejko

Katedra Technologii i Organizacji Budownictwa

Politechnika Świętokrzyska