kolektory słoneczne
Kolektory słoneczne – są to urządzenie wykorzystywane do zamiany (konwersji) energii promieniowania słonecznego na ciepło. Energia słoneczna w tych urządzeń jest wykorzystywana do zamieniana jej głównie na energię cieplną określonego nośnika ciepła, którym może być ciecz (glikol, woda) lub gaz (np. powietrze).
Kolektory słoneczne stosowane w instalacjach przydomowych służą głównie do bieżącego podgrzewania wody. Natomiast te kolektory słoneczne, które znajdują się przede wszystkim w elektrowniach słonecznych wytwarzają energię elektryczną. Chociaż używanie kolektorów słonecznych do wytwarzanie energii elektrycznej jest mało wydajne to kolektory słoneczne można również stosować w połączeniu z kolektorami fotowoltaicznymi w celu uzyskania zarówno ciepła i energii elektrycznej.
Wytwarzanie energii przez kolektory słoneczne
Kolektory słoneczne płaskie służące przede wszystkim do ogrzewania pomieszczeń i wody wykorzystują krążący płyn do przenoszenia ciepła do oddzielnego zbiornika. Pierwszym takim kolektorem słonecznym (i zarazem wzorem) ustawionym na dachów budynków i służącym do podgrzewania wody został kolektor opatentowany w 1978 roku przez Williama Goettla. Natomiast kolektory słoneczne próżniowo-rurowe wykorzystują parę w celu chłodzenia przemysłowego i klimatyzacji pomieszczeń.
Prosty schemat instalacji do podgrzewania ciepłej wody użytkowej jest następujący: kolektory słoneczne, regulator (uruchamiający pompę obiegu), pompa, naczynie przeponowe (kompensujące rozszerzalność temperaturową czynnika w systemie), zbiornik magazynujący ciepłą wodę użytkową, z wężownicami lub płaszczami grzejnymi oraz inne źródło ciepła takie jak np. kocioł, pompa ciepła lub piec z płaszczem wodnym.
W przypadku kolektorów słonecznych służących do wytwarzania energii elektrycznej wykorzystuje się podgrzewany płyn (będący nośnikiem ciepła) do napędzania turbiny podłączonej do generatora elektrycznego.
Kolektory słoneczne płaskie
Spośród wykorzystywanych na świecie kolektorów kolektory płaskie są najpowszechniejsze w Europie. Najpopularniejsza konstrukcja absorbera składa się z rur miedzianych połączonych z blachą o wysokiej przewodności. Ciemną powłokę nakłada się na powierzchnię absorbera skierowaną w stronę słońca, aby zwiększyć pochłanianie energii słonecznej. Powszechnie używaną powłoką absorbera jest czarna emalia.
W konstrukcjach o wyższej jakości przezroczysta pokrywa jest hartowanym szkłem sodowo-wapniowym o obniżonej zawartości tlenku żelaza, takiej samej jak w przypadku paneli fotowoltaicznych. Szkło kolektorów może posiadać kropkowany wzór i jedną lub dwie powłoki przeciwodblaskowe (w celu dalszego zwiększenia przezroczystości).
Powłoka absorbera jest zwykle powłoką selektywną, co oznacza wysoką absorpcję w widzialnej części widma elektromagnetycznego z niską emisją w podczerwieni. Jest to taka powierzchnia, która zmniejsza emisję energii doskonale czarnego materiału z pochłaniacza i poprawia wydajność.
Rury w tej instalacji mogą być spawane do powierzchni absorbera laserowo lub ultradźwiękowo, dzięki czemu zmniejszeniu ulega uszkodzenie powłoki selektywne.
Kolektory słoneczne próżniowo-rurowe
Kolektory próżniowo-rurowe są rozpowszechnionej wykorzystywanymi kolektorami na świecie. W konstrukcji tych kolektorów wykorzystywana jest szklana rurka otaczająca absorber i wytwarzająca wysoką próżnię. Podciśnienie w jakim znajduje się absorber znacznie ogranicza straty ciepła, dzięki czemu uzyskuje się większą wydajność produkcji energii. Absorber może być podobny jak w przypadku kolektorów płaskich lub może być drugą koncentryczną rurą.
Płyn grzewczy w kolektorach słonecznych próżniowo-rurowych może przemieszczać się w każdej rurze lub stykać się z rurką cieplną sięgającą wewnątrz rury. W tym ostatnim przypadku rury cieplne przenoszą ciepło do płynu w wymienniku ciepła umieszczonym poprzecznie względem rur. Kolektor jest owinięty izolacją (wełną szklaną) i zabezpieczony obudową ochronną używaną również do mocowania wsporników.
Arkusze absorbera w tego typu kolektorach łączone w postać żeber i umieszczane w pojedynczej rurce ze szkła borokrzemianowego. Na wewnętrzną i zewnętrzną powierzchnię tej rurki nakłada się niekiedy powłokę przeciwodblaskową, aby poprawić przezroczystość. Zarówno powłoka selektywna, jak i antyrefleksyjna nie ulegną degradacji w próżni. Problemy związane z zachowaniem próżni są najczęstszą przyczyną awarii kolektorów próżniowo-rurowych. W celu zapobiegania przewidywanych awarii stosuje się różnego rodzaju rozwiązania jak np. specjalne pompy.
Kolektory słoneczne skupiające
W kolektorach skupiających promienie słoneczne są odbijane w kierunku absorbera będącego jednocześnie wymiennikiem ciepła. Jednak celność zwierciadeł jest uzależniona od kierunku padania promieni słonecznych, co w praktyce oznacza, że aby utrzymać wysoką sprawność przez cały dzień, kolektor musi poruszać się zgodnie z pozornym ruchem słońca. Ze względu na to koszty budowy i utrzymania takiego kolektora są znacznie podwyższone.
W kolektorach skupiających stosuje się soczewki lub lustra (w różnym układzie) w celu zwiększenia gęstości strumienia promieniowania słonecznego, padającego na eksponowaną powierzchnię. W tym kolektorze absorber wykonany może być w formie płaskiej lub rurkowatej. Trzy rodzaje zwierciadeł może być tutaj zastosowane, są to zwierciadła płaskie, paraboliczne lub cylindryczne.
Kolektory skupiające wyróżniają małymi rozmiary, jednak muszą być ustawiane prostopadle do kierunku padania promieni słonecznych. W konsekwencji potrzebują dodatkowego wyposażenia, które umożliwia ich obrót względem ruchu słońca. Kolektory słoneczne skupiające wytwarzają moc wynoszącą od kilkudziesięciu do kilkuset Wat. Wytworzona energia może ulegać transformacji na energię mechaniczną lub elektryczną, którą wykorzystać można zarówno do pracy pomp jak i chłodzenia, oświetlania czy kuchnie słoneczne.
Efektywność kolektorów słonecznych
Efektywność kolektora słonecznego oznacza się jako stosunek energii odebranej przez czynnik roboczy do ilości promieniowania docierającego do kolektora słonecznego. Na przykład wraz ze wzrostem różnicy temperatur pomiędzy czynnikiem roboczym a otoczeniem może spadać efektywność kolektora słonecznego płaskiego. Większość kolektorów słonecznych płaskich może być stosowana ponad 25 lat podczas gdy większość kolektorów próżniowo-rurowych ponad 20 lat.
Zastosowania kolektorów słonecznych
Kolektory słoneczne najpowszechniej wykorzystywane są do podgrzewania wody (użytkowej wody do celów gospodarstw domowych, w sprzętach użytkowych, wody basenowej), wspomagania centralnego ogrzewania, chłodzenia i ogrzewania tak pomieszczeń jak i budynków oraz wytwarzania ciepła technologicznego.
