Kolektory płaskie: Budowa, Zasada Działania i Zalety

Kolektory płaskie to popularne urządzenia do pozyskiwania energii słonecznej. Wykorzystują darmowe promieniowanie do ogrzewania wody użytkowej. Poznaj ich konstrukcję i sposób działania.

Czym są kolektory płaskie?

Kolektory słoneczne to kluczowy element instalacji solarnej. Służą do konwersji energii słońca na ciepło. Kolektory płaskie stanowią większość instalacji w Polsce. Pracują efektywnie od wiosny do jesieni. Możesz ich używać przez cały rok.

Kolektor jest najbardziej efektywnym źródłem ciepła. Zużywa około 1% energii do działania. Pozostałe 99% to pozyskane ciepło. Kolektory koncentrują się na produkcji ciepła. Różnią się od paneli fotowoltaicznych. Panele produkują prąd elektryczny.

Budowa kolektora płaskiego

Kolektory płaskie mają prostą konstrukcję. Składają się z izolowanej obudowy. Wewnątrz obudowy znajduje się absorber. Absorber pochłania energię promieniowania słonecznego. Zamienia ją na energię cieplną. Ciepło przekazywane jest medium grzewczemu.

Obudowa chroni wewnętrzne elementy. Zabezpiecza przed warunkami atmosferycznymi. Zazwyczaj wykonana jest z profili aluminiowych. Płyta tylna jest odporna na przebicie i korozję. Obudowa zawiera skuteczną izolację cieplną.

Pokrycie kolektora

Pokrycie kolektora stanowi przednią szybę. Zabezpiecza absorber przed wpływem otoczenia. Zmniejsza straty ciepła przez konwekcję. Zwiększa sprawność optyczną kolektora. Najczęściej używa się szkła hartowanego.

Szkło hartowane ma grubość 3,2 mm lub 4 mm. Ważna jest jego przepuszczalność dla promieniowania słonecznego. Zwykłe szkło budowlane przepuszcza 86-93% światła. Szkło z niską zawartością żelaza ma przepuszczalność 91-92%. Szkło solarne osiąga 90% przepuszczalności. Szkło antyrefleksyjne przepuszcza do 97% światła. Powłoka antyrefleksyjna zwiększa transmitancję o 7-9%.

Można stosować też tworzywa sztuczne. Należą do nich plexi, poliwęglany, poliestry. Ich przepuszczalność jest różna. Plexi przepuszcza 89-92%. Poliwęglany mają 82-89%. Poliestry osiągają 77-90%. Szkło solarne z powłoką antyrefleksyjną jest najlepszym wyborem.

Pokrycie musi być odporne mechanicznie. Testuje się je na uderzenia. Siła uderzenia wynosi 3,5J. Prędkość kulek to 7 m/s. Waga kulek wynosi 150 g. Upuszcza się je z wysokości 2,5 m.

Absorber – serce kolektora

Absorber to główny element kolektora. Pochłania promieniowanie słoneczne. Zamienia je na energię cieplną. Absorber pracuje w wysokich temperaturach. Może osiągać nawet 300°C.

Absorbery wykonuje się z blachy. Najczęściej używa się miedzi lub aluminium. Miedź jest najlepszym materiałem na absorber. Ma wysoką przewodność cieplną. Rurki wymiennika ciepła są lutowane lub spawane do płyty absorbera. Stosuje się spawanie laserowe. Używa się też zgrzewania ultradźwiękowego. Spawanie ultradźwiękowe i pulsacyjnym laserem to nowoczesne metody.

Absorbery pokrywa się specjalną powłoką. Zwiększa ona absorpcję promieniowania. Stosuje się powłoki selektywne. Przykłady to Sol-Titan lub czarny chrom. Powłoki wysokoselektywne z tlenku tytanu (TiNOX) są napylane. Używa się technologii PVD.

Typy absorberów różnią się konstrukcją. Absorbery harfowe mają równoległe rurki. Absorbery meandrowe mają wijącą się rurkę. Absorbery fraktalne są w fazie badań. Oferują najlepszy rozkład ciepła. Firma WARO stosuje rurki silnie spłaszczone. Zwiększa to sprawność optyczną.

Izolacja kolektora

Izolacja cieplna zmniejsza straty ciepła. Zapobiega ucieczce ciepła z absorbera. Umieszcza się ją pod absorberem i po bokach obudowy. Stosuje się wełnę mineralną. Używa się też pianki poliuretanowej. Dobrej jakości izolacja jest kluczowa dla sprawności. Kolektory Vitosol mają wysoce skuteczną izolację.

Zasada działania kolektora płaskiego

Kolektor płaski działa na zasadzie konwekcji termicznej. Promieniowanie słoneczne przechodzi przez pokrycie. Dociera do absorbera. Absorber pochłania energię. Zamienia ją na ciepło. Temperatura absorbera wzrasta.

Ciepło przekazywane jest medium grzewczemu. Medium przepływa przez rurki przymocowane do absorbera. Zazwyczaj jest to roztwór glikolu. Glikol krąży w zamkniętym obiegu. Ogrzany glikol płynie do wymiennika ciepła. Tam oddaje ciepło wodzie użytkowej. Wymiennik ciepła znajduje się w zbiorniku na wodę. Pojemność zbiornika wynosi od 100 do 300 litrów.

Wynikiem procesu konwekcji jest przyrost entalpii czynnika obiegowego. Maksymalna różnica temperatur może wynosić 15 stopni. Maksymalna temperatura w zbiorniku to 70°C. Wymaga się okresowego podniesienia temperatury do 70°C w punkcie czerpania wody. Zapobiega to rozwojowi bakterii Legionella.

Zalecana prędkość przepływu medium to 0,4-0,7 m/s. Zapewnia to optymalny odbiór ciepła. Dokładna analiza pracy kolektora wymaga wiedzy. Zaprojektowanie instalacji solarnej nie jest proste.

Sprawność instalacji solarnej

Sprawność jest najważniejszym parametrem instalacji. Charakteryzuje efektywność działania. Nie istnieje urządzenie o sprawności 100%. Straty ciepła zawsze występują. Zależą od konstrukcji kolektora i instalacji.

Sprawność zależy od wielu czynników. Wpływa na nią temperatura otoczenia. Ważna jest temperatura pracy absorbera. Rodzaj pokrycia ma znaczenie. Typ izolacji jest istotny. Wysokiej jakości komponenty zwiększają sprawność. Marki takie jak Viessmann gwarantują wysoką sprawność. Mają ponad 40 lat doświadczenia.

Diagram przedstawiający przybliżoną przepuszczalność różnych typów pokryć kolektorów.

Zalety kolektorów płaskich

Kolektory płaskie mają wiele zalet. Wykorzystują darmową energię słońca. Zmniejszają koszty ogrzewania wody użytkowej. Są prostymi konstrukcyjnie urządzeniami. Mogą pracować przez cały rok. Zapewniają wysoki poziom pokrycia słonecznego. Są dobrym uzupełnieniem instalacji grzewczej.

Można je montować pionowo i poziomo. Pasują do budynków mieszkalnych. Sprawdzą się w budynkach gospodarczych. Nadają się do obiektów samorządowych. W Polsce 90% sprzedanych kolektorów to modele płaskie. Ich łączna powierzchnia przekracza 300 tys. m2.

Niektóre technologie poprawiają ich działanie. Warstwa ThermProtect zapobiega przegrzewaniu. Wyłącza absorber przy wysokiej temperaturze. Chroni instalację przed uszkodzeniem.

Materiały i narzędzia do budowy kolektora

Budowa kolektora wymaga konkretnych materiałów. Potrzebne są płyty miedziane lub aluminiowe. Niezbędne są rurki miedziane. Wymagane jest szkło hartowane lub solarne. Izolację zapewnia wełna mineralna. Można użyć pianki poliuretanowej. Potrzebne są profile aluminiowe lub belki drewniane.

Do montażu potrzebne są narzędzia. Przyda się piła do metalu lub drewna. Niezbędny jest młotek i śrubokręt. Wymagana jest lutownica do rurek. Przydatne są klucze płaskie i nasadowe. Miarka i ołówek pomagają w precyzji. Szczypce i wiertarka są potrzebne do prac montażowych.

Typowe problemy i rozwiązania

Instalacja solarna może napotkać problemy. Czasem występuje niskie ciśnienie w systemie. Może pojawić się niska temperatura medium. Nierównomierny przepływ bywa kłopotem.

Rozwiązania są zazwyczaj proste. Sprawdź szczelność wszystkich połączeń. Usuń powietrze z systemu. Regularnie czyść powierzchnię kolektora. Zanieczyszczenia zmniejszają sprawność. Czysty kolektor działa wydajniej.

Diagram porównujący przepuszczalność światła przez różne materiały stosowane w pokryciach kolektorów.

Podsumowanie

Kolektory płaskie to sprawdzona technologia. Efektywnie wykorzystują energię słońca. Ich budowa jest prosta. Kluczowe elementy to absorber, pokrycie i izolacja. Działają na zasadzie konwekcji. Zapewniają ciepłą wodę użytkową. Stanowią ważny element odnawialnych źródeł energii. Ich popularność w Polsce stale rośnie.