Wprowadzenie

Kolektor słoneczny to urządzenie służące do odbioru energii cieplnej słońca i przeniesienia jej poprzez układ solarny do zasobnika z wodą użytkową. Energia cieplna z zakresu promieniowania podczerwonego wychwytywana jest przez powierzchnię absorbera a następnie przekazana do czynnika grzewczego przepływającego przez głowicę kolektora. Nagrzany w ten sposób czynnik transportowany jest w zamkniętym układzie przy pomocy ciśnienia pompy solarnej do zbiornika akumulacyjnego. Tutaj przez powierzchnię wężownicy spiralnej zbiornika, ciepło oddawane jest do wody użytkowej i spożytkowane na bieżace potrzeby gospodarstwa domowego. Zasada działania kolektorów próżniowych polega na zatrzymaniu wychwyconej energii w pułapce, którą stanowi próżnia. Kolektory o tej zasadzie działania wyróżnia bardzo niski współczynnik strat ciepła sprawiający, że są one skuteczne przez 365 dni w roku. W położeniu geograficznym Polski od listopada do końca lutego występują bardzo trudne warunki pracy kolektorów i zdecydowanie lepiej radzą dobie w nich właśnie kolektory próżniowe.

Pierwsza generacja kolektorów słonecznych, kolektor płaski działa na zasadzie wężownicy, w której płynie czynnik grzewczy, przykrytej miedzianą płytą, ta z kolei pokryta jest warstwą pochłaniającą promieniowanie słoneczne, całość przykrywa szyba solarna osłaniająca urządzenie. Uzysk energetyczny z kolektorów płaskich w pełni zależy od temperatury zewnętrznej, praktycznie oznacza to, że w okresach, gdy jest niska temperatura na zewnątrz a słońce intensywnie świeci całe ciepło, które zostaje zaabsorbowane zostaje oddana do otoczenia zanim zostanie przekazana do instalacji. Kolektory płaskie mogą z powodzeniem skutecznie pracować przez cały rok w krajach o wysokim nasłonecznieniu gdzie różnice temperatur między poszczególnymi porami roku są niewielkie, właśnie w takich miejscach ich stosowanie jest uzasadnione. Kolektory płaskie nadal znajdują swoje zastosowanie w naszym kraju głównie ze względu na cenę, a ich ewolucyjnymi następcami są kolektory próżniowe.

Kolektor próżniowy o bezpośrednim przepływie w których czynnik grzewczy transportowany jest bezpośrednio w każdej tubie próżniowej. Czynnik roboczy podobnie jak w kolektorze płaskim jest bezpośrednio ogrzewany w rurce miedzianej, z tą różnicą, że dzięki próżni wszelkie straty ciepła zostały wyeliminowane. Rozwiązanie takie pozwala na uzyskanie wyższej temperatury czynnika, a co za tym idzie wyższych uzysków energetycznych. Technologia ta ma jednak swoje wady, duża ilość czynnika grzewczego oraz bardzo wysokie temperatury osiągane przez kolektor w czasie, kiedy nie ma możliwości odbioru ciepła (np.: wyjazd wakacyjny) powodują możliwość przegrzewania się systemu, konieczne jest przysłanianie kolektora w trakcie bezczynności. Większa ilość pracującego czynnika grzewczego wydłuża czas potrzebny na start kolektora, a w przypadku awarii instalacji lub samej rury próżniowej konieczne jest opróżnienie całego systemu z płynu solarnego. Wadą tego typu kolektora jest możliwość powstawania osadów, które powodują zmniejszenie sprawności urządzenia.

Kolektory typu „heat pipe” (rurka cieplna), gdzie czynnik grzewczy nie przepływa bezpośrednio przez kolektor, a odbiór ciepła następuje jedynie w głowicy urządzenia. Ten typ kolektora składa się z kilku do kilkudziesięciu rur szklanych o wysokiej próżni wewnątrz. W każdą rurę próżniową wbudowany jest absorber z zamocowaną rurką, substancja znajdująca się w niej już przy +30oC zostaje doprowadzona do wrzenia, skrapla się w umieszczonym na końcu parownika skraplaczu, ogrzewa go i dzięki zakotwiczeniu w magistrali zbiorczej przekazuje ciepło przepływającemu przez nią czynnikowi roboczemu. Próżnia gwarantuje minimalne straty ciepła do otoczenia, co umożliwia prace kolektora przez cały rok, nawet podczas ujemnych temperatur w okresie zimowym. Technologia i materiały użyte w nowoczesnych kolektorach „heat pipe” pozwalają na ich błyskawiczny rozruch oraz umożliwiają uzyskanie dużych wartości mocy urządzeń. Uzysk energetyczny z jednego metra kwadratowego kolektora może być nawet trzykrotnie większy niż uzysk z tej samej powierzchni w kolektorze płaskim. Ostatecznie oznacza to, że do ogrzania tej samej ilości wody potrzebujemy dużo mniejszej ilości kolektorów. Kolejną zaletą tego typu urządzeń jest możliwość pozyskiwania energii rozproszonej przez co kolektor spełnia swoje funkcje nawet podczas dni pochmurnych, gdy na zewnątrz panują temperatury dodatnie. W przypadku tej technologii został zmniejszony problem przegrzewania się instalacji. Czynnik grzewczy przepływa jedynie w głowicy kolektora, oznacza to narażenie jego w niewielkiej ilości na zbyt wysoką temperaturę. W systemie tym nie ma konieczności zakrywania powierzchni kolektora podczas nieobecności  i braku odbioru energii. Rozwiązania zastosowane w kolektorach „heat pipe” gwarantują wysoka niezawo-dność eksploatacyjną nawet w długich okresach stagnacji instalacji i podczas wysokiego nasłonecznienia, co przekłada się bezpośrednio na wysokie bezpieczeństwo całej pracy układu. Kolektory te korzystają z najnowszych rozwiązań techniki solarnej, charakteryzują się najwyższą sprawnością optyczną i najwyższymi rocznymi uzyskami energetycznymi.

---

---

Współczynniki opisujące kolektory płaskie

Optyczny współczynnik sprawności kolektora

Sprawność optyczna kolektorów określana jest przy braku różnicy temperatury pomiędzy absorberem, a otoczeniem. Im wyższa sprawność optyczna tym lepsze wykorzystanie promieniowania słonecznego docierającego do urządzenia. Sprawność optyczna opisuje przenikanie promieniowania słonecznego przez przykrycie kolektora (np. szyba kolektora) oraz stopień sprawności powierzchni absorbera (wydajność powłoki absorpcyjnej). Sprawność rzeczywista kolektora słonecznego zależy od sprawności optycznej pomniejszonej o straty ciepła.

Współczynnik strat ciepła

K 1 - liniowy wskaźnik przenikania ciepła [W/m2 x K]
Wyznacza  straty ciepła kolektora w sytuacji , gdy temperatura jego absorbera jest zbliżona do temperatury otoczenia np. pora ciepła w naszym klimacie od IV-IX.
K 2 – kwadratowy (nieliniowy) wskaźnik strat ciepła [W/m2 x K2]
Wyznacza straty ciepła kolektora w sytuacji, gdy temperatura jego absorbera jest znacznie wyższa niż. temperatury otoczenia. Współczynnik ten jest szczególnie istotny w klimacie Europy Środkowo-Wschodniej gdzie w tzw. porze zimnej od X-III panują niskie temperatury otoczenia.  Dla kolektorów próżniowych współczynnik ten jest 2/2,5 razy niższy w stosunku do kolektorów płaskich, dlatego też zachowują one znacznie wyższą sprawność w półroczu zimnym.

Powierzchnia brutto

Powierzchnia kolektora wynikająca z jego wymiarów zewnętrznych, łącznie z ramą podstawową.

Powierzchnia absorbera

Powierzchnia skuteczna absorbera, która jest pokryta selektywną powłoką i nie pozostaje zacieniona. Stąd powszechnie nazywamy ją, także powierzchnią efektywną kolektora. W przypadku kolektorów rurowych przyjmuje się że jest to wycinek obwodu rury próżniowej lub powierzchnia absorbera płaskiego dla kolektora Sunti HTC. Do obliczenia potrzebnej powierzchni kolektorów w danej instalacji zawsze przyjmuje się powierzchnię absorbera.

Współczynnik sprawności kolektora

Przedstawia procentowo stosunek mocy cieplnej pozyskiwanej przez kolektor do mocy docierającego promieniowania słonecznego. Jego wartość zależy przede wszystkim od jakości powłoki absorbującej ciepło i od strat energii już pozyskanego ciepła. Do jego matematycznego opisu wykorzystuje się wskaźniki k 1 i k 2.

Wydajność cieplna kolektorów

Jest sprawdzana dla korzystnych warunków pogodowych, gdzie różnice w porównaniu kolektorów płaskich i próżniowych są nieznaczne(rzędu 10+15 W/m2). Należy jednak wydajność cieplną (chwilową) odróżnić od całorocznego uzysku energii (dla zmiennych warunków), która dla kolektorów próżniowych może być wyższy nawet o 50-60% od kolektorów płaskich.