Rodzaje i budowa kolektorów słonecznych. Najczęściej popełniane błędy przy montażu instalacji solarnej

Aby instalacja solarna spełniała swoje funkcje, działała efektywnie i niezawodnie, muszą być spełnione pewne warunki. Należy właściwie dobrać rodzaj kolektorów słonecznych - płaskie czy próżniowe, a następnie fachowo przeprowadzić montaż instalacji solarnej. W jakich sytuacjach lepiej sprawdzą się kolektory płaskie, a w jakich próżniowe? Jakie błędy najczęściej popełnia się w trakcie montażu kolektorów słonecznych?

Kolektory słoneczne używane są głównie do podgrzewania wody użytkowej oraz wody basenowej, rzadziej do wspomagania ogrzewania budynku – wynika to z faktu, że jest to o wiele droższe rozwiązanie, które nie zapewnia szybkiego zwrotu poniesionych nakładów. Ze względu na ograniczoną dostępność promieniowania słonecznego w różnych porach roku, kolektory muszą być wspomagane innym źródłem ciepła, np. kotłem grzewczym lub pompą ciepła. Typowy zakres temperatur pracy kolektorów słonecznych wacha się w przedziale od 40°C do 60°C. W niektórych przypadkach czynnik roboczy podgrzewany jest do temperatury poniżej 30°C (woda basenowa) lub przekraczającej 80°C. Mimo że większość terenów Polski nie należy do silnie nasłonecznionych, to wykorzystywanie energii słonecznej do podgrzewania wody osiąga realny wymiar ekonomiczny.

Kolektory płaskie i próżniowe

Kolektory płaskie (z płaskim absorberem) są najczęściej wybieranym typem kolektorów. Wynika to m.in. z faktu że cena dobrej klasy kolektorów próżniowych est zdecydowanie wyższa od kolektorów płaskich. Zakładając, że średnioroczny uzysk energii będzie nieco większy z kolektorów próżniowych, to koszt inwestycji zwraca się zdecydowanie szybciej przy kolektorach płaskich. Kolektory płaskie zbudowane są z izolowanej cieplnie obudowy, w której znajduje się absorber, czyli płyta wykonana z miedzi bądź aluminium, pokryta ciemną, matową warstwą pochłaniającą promieniowanie słoneczne.
Promieniowanie słoneczne po przejściu przez przezroczyste pokrycie w formie szyby trafia na powierzchnię absorbera, gdzie następnie jest zamieniane na ciepło. Dzięki zastosowaniu hartowanego szkła kolektor słoneczny wyróżnia się wysoką przepuszczalnością promieniowania słonecznego, jednocześnie chroniąc go przed niekorzystnymi warunkami pogodowymi. Do wierzchniej warstwy absorbera przymocowany jest układ przewodów, w formie wężownicy (meandrycznie), którymi przepływa czynnik grzewczy na bazie glikolu, transportujący wytworzone ciepło do zbiornika solarnego. Aby ograniczyć powstawanie strat ciepła w kolektorze, pod rurkami oraz po bokach absorbera znajduje się izolacja termiczna, a także folia odbijająca promieniowanie cieplne.

Kolektory próżniowe (rurowe) składają się z ustawionych równolegle względem siebie, pojedynczych szklanych rur, w których znajduje się absorber otoczony próżnią. Dzięki zastosowaniu próżni nastąpiło zminimalizowanie strat ciepła, wynikające z konwekcji i jego przewodzenia - znacznie skuteczniej niż w jakimkolwiek dotąd stosowanym materiale. Kolektory próżniowe w przeciwieństwie do kolektorów płaskich osiągają większe sprawności w niskich temperaturach otoczenia. Obecnie występują dwa rodzaje kolektorów próżniowych:

• z bezpośrednim przepływem czynnika grzewczego przez absorber, gdzie czynnik grzewczy transportowany jest bezpośrednio z wewnętrznej powierzchni szklanej rury, nie powodując praktycznie żadnych strat cieplnych. Zimny czynnik wpływa rurą wewnętrzną do absorbera, a następnie po ogrzaniu wraca do instalacji (rurą zewnętrzną).

• z rurkami ciepła typu heat pipe, gdzie czynnik grzewczy nie przepływa bezpośrednio przez absorber, energię z absorbera odbiera czynnik roboczy, który odparowuje i oddaje ciepło do czynnika grzewczego. Dzięki temu kolektor może pracować z wysoką wydajnością przez cały rok, nawet przy ujemnych temperaturach, a w lecie bez ryzyka przegrzania. Zaletą tej technologii jest szybki rozruch instalacji grzewczej oraz możliwość wymiany pojedynczych rur kolektora podczas prac serwisowych, bez konieczności przerywania pracy instalacji solarnej.

Kolektor płaski czy próżniowy?

Podjęcie decyzji o zamontowaniu kolektorów słonecznych skłania nas do wyboru pomiędzy kolektorami płaskimi a próżniowymi. Bazując na podstawowych informacjach o budowie i działaniu kolektorów, można oszacować, że kolektory płaskie mają znacznie większą sprawność w okresie letnim niż zimowym, z tego względu służą do podgrzewania wody użytkowej i basenowej. Sprawdzają się więc jako sezonowe źródło ciepła. Kolektory próżniowe osiągają większą sprawność średnioroczną niż płaskie, gdyż wykazują się efektywniejszą pracą przez cały rok, mogą one wykorzystywać energię słońca również przy minusowych temperaturach, bądź przy silnym zachmurzeniu. Ze względu na lepszą izolację termiczną, jak i większą odporność na niewielkie opady śniegu próżniowe kolektory rurowe są wydajniejsze od kolektorów płaskich. Polecane są zatem do wspomagania centralnego ogrzewana oraz w instalacjach c.w.u. przy zakładanym wysokim pokryciu solarnym. Wyższa sprawność kolektorów próżniowych przekłada się na ich mniejsze gabaryty w porównaniu do kolektorów płaskich, co jest istotne w przypadku domów z dachami o skomoplikowanym kształcie.

Jak uniknąć błędów montażowych?

Błędy popełnione w trakcie instalacji kolektorów słonecznych mogą skutkować obniżeniem sprawności systemu solarnego, a w krótkim czasie do szybkiej awarii instalacji. Najczęściej popełnianymi błędami w instalacjach solarnych są:

• nieprawidłowe wykonanie połączeń hydraulicznych - do wykonania połączeń hydraulicznych w obiegu cieczy solarnej zabrania się stosowania rur wykonanych z tworzyw sztucznych. Należy używać rurociągów z miedzi lub stali nierdzewnej. Elementy instalacji solarnych, takie jak zawory kulowe, zawory zwrotne, zawory bezpieczeństwa, naczynia przeponowe itp. muszą być odporne na działanie czynnika roboczego (glikolu).

• niewłaściwa izolacja rur - prawidłowe wykonanie izolacji przewodów solarnych oraz ich przyłączy do poszczególnych zespołów instalacji zapobiega stratom ciepła w instalacji. Izolację przewodów solarnych wykonuje się z otuliny kauczukowej, odpornej na działanie wysokich temperatur. Grubość otuliny powinna być zbliżona do średnicy zabezpieczanej przez nią rury. Na odcinku zlokalizowanym na zewnątrz budynku powinna mieć grubość 12-19 mm, grubość pozostałej części izolacji może wynosić 9 mm. Izolacja powinna obejmować zarówno instalację wylotową (tzw. zasilanie), jak i instalację dolotową (powrót).

• nieprawidłowe nastawy regulatorów solarnych - po uruchomieniu instalacji solarnej należy sprawdzić i skorygować wszystkie istotne nastawy regulatora. Pompa obiegu solarnego powinna włączyć się, jeśli temperatura w kolektorach przewyższy nastawioną wartość (przeważnie 5-8°C) temperatury w zasobniku. Jeżeli to możliwe, nadmiar zgormadzonego ciepła latem powinien zostać odprowadzany do instalacji c.o., basenu lub innego odbiornika.

• brak okresowej kontroli serwisowej - instalacja solarna wymaga okresowych przeglądów kontrolno-serwisowych, które mają na celu bezpiecznie i bezawaryjne użytkowanie. Przynajmniej raz w roku zalecana jest kontrola ciśnienia roboczego w instalacji solarnej, a także w przestrzeni gazowej naczynia wzbiorczego. Jakikolwiek spadek ciśnienia jest niedozwolony. Nie zapominajmy również o kontroli konstrukcji mocującej kolektory.