Słońce jest nieodzownym elementem naszego codziennego życia, bez którego nie możemy sobie wyobrazić funkcjonowania na Ziemi. To życiodajna gwiazda, której światło pełni wiele ważnych funkcji. Pozwala ono na wzrost roślin, zapewnia ciepło i pozytywnie wpływa na nasze samopoczucie. Jednak rola słońca na tym się nie kończy. Przy pomocy paneli fotowoltaicznych, jego energia może zostać zamieniona w prąd, natomiast dzięki solarom - w ciepło zdolne ogrzać budynek. Czym dokładnie są wspomniane solary, jak działają i czy ich montaż jest opłacalny? Dowiesz się tego z poniższego artykułu.
Co to jest kolektor słoneczny?
Kolektor słoneczny - zwany również solarem - to urządzenie, które zajmuje się zamianą promieniowania słonecznego w energię cieplną. Ze względu na swój wygląd, bardzo często mylony jest z panelem fotowoltaicznym. Zazwyczaj oba systemy montuje się w swoim sąsiedztwie, przez co jeszcze trudniej jest je rozróżnić.
Zarówno kolektory słoneczne jak i panele fotowoltaiczne bazują na tym samym źródle energii - słońcu. Ich przeznaczenie jest jednak inne. Podczas gdy solary zebraną energię przekazują pod postacią ciepła do systemów grzewczych, moduły PV pozwalają na produkcję prądu. Może być on wykorzystany do dowolnych celów, w tym do zasilania urządzeń AGD w gospodarstwie domowym, ładowania pojazdów elektrycznych, a nawet wsparcia pracy kotła elektrycznego.
Kolektory słoneczne i ich rodzaje
Podobnie jak w przypadku modułów fotowoltaicznych, kolektory słoneczne również można podzielić ze względu na ich rodzaj. Fotowoltaika najczęściej mówi o dwóch typach urządzeń (panele I i II generacji). Jakie natomiast wyróżniamy rodzaje kolektorów słonecznych?
Płaskie kolektory słoneczne
Do ich podstawowych funkcji zaliczyć można ogrzewanie wody użytkowej oraz wsparcie dla głównego systemu grzewczego. Kolektory słoneczne płaskie są najpopularniejszym typem instalacji solarnych spotykanych w polskich domach. Ich niewątpliwym atutem jest niska cena zakupu i stosunkowo prosty montaż.
Na podstawie normy europejskiej EN 12975 określa się współczynnik strat oraz sprawność optyczną kolektora słonecznego - są to elementy, które mają największy wpływ na jego wydajność.
Próżniowo-rurowe kolektory słoneczne
Urządzenia te stanowią świetne rozwiązanie na problem strat ciepła z instalacji solarnej. Wszystko to dzięki specjalnej konstrukcji, na którą składa się system rur o podwójnych ściankach, wykorzystujących powstałą poprzez wypompowanie powietrza próżnię, jako czynnik izolacyjny. Urządzenie przekazuje energię w sposób dwufazowy: w pierwszej fazie kumulowane przez absorber ciepło zajmuje się ogrzaniem (wręcz doprowadzeniem do wrzenia) czynnika roboczego. Druga faza to już podgrzanie wody przepływającej w instalacji.
W odróżnieniu od płaskich kolektorów słonecznych, modele próżniowo-rurowe pozwalają na pozyskiwanie energii cieplnej nawet w pochmurne, zimowe dni. Wszystko to jest zasługą ich umiejętności do wyłapywania promieniowania rozproszonego. Co więcej, kolektory próżniowo-rurowe cechują się lepszą wydajnością i wyższą sprawnością optyczną od swoich poprzedników.
Skupiające kolektory słoneczne
Trzecim i jednocześnie najrzadziej spotykanym rodzajem kolektorów słonecznych są modele skupiające. Pracują one na bardzo wysokich temperaturach czynnika roboczego - jest to możliwe dzięki wbudowanemu systemowi luster, który kieruje promienie słoneczne prosto na absorber. Solary tego typu największe zastosowanie znajdują w przemyśle. Urządzenia te pozwalają uzyskać moc rzędu kilkuset Watt.
Jak zbudowany jest kolektor słoneczny?
Nim zagłębimy się dokładnie w sposób działania kolektorów słonecznych, warto poznać, jak owe urządzenia są zbudowane. W większości, mechanizmy te są raczej niezbyt skomplikowane. Do ich głównych elementów zaliczyć można absorber, szybę solarną, obudowę oraz orurowanie. Przyjrzyjmy się bliżej każdemu z nich.
Absorber
Najważniejszym elementem kolektora słonecznego jest absorber. To ciemna powłoka, która zazwyczaj pokrywa całą powierzchnię panelu solarnego. Głównym zadaniem absorbera jest “przyciąganie” promieni słonecznych i jednoczesne przechwytywanie pochodzącego od nich ciepła.
Aby absorber był w stanie pochłaniać jak największą ilość energii, musi zostać pokryty specjalną warstwą. Obecnie, wśród topowych producentów kolektorów słonecznych najpopularniejsze są warstwy z czarnego chromu oraz typu PVD. Pierwsza z nich charakteryzuje się niezwykłą wytrzymałością na warunki atmosferyczne - w Polsce możemy się spotkać z solarami pokrytymi czarnym chromem, które są eksploatowane nieprzerwanie od 20 lat. Minusem wspomnianej powłoki jest duża energochłonność i wysoki koszt produkcji.
Na warstwę typu PVD potocznie mówi się “niebieska”. Jej głównym atutem jest wysoka sprawność, minusem natomiast mniejsza wytrzymałość od swojego chromowego poprzednika. Warstwy PVD produkowane są jednak już w sposób bardziej przyjazny środowisku i zużywający niewielkie pokłady energii elektrycznej.
Absorber miedziany
Absorbery możemy posegregować ze względu na materiał, z którego zostały wykonane. Pierwotnym surowcem wykorzystywanym do budowy tego urządzenia była miedź. Ze względu na wysoki poziom odporności na korozję, trwałość, a także bardzo dobrą przewodność cieplną, miedziane absorbery mogą pochwalić się najwyższym standardem technicznym spośród wszystkich urządzeń tego typu dostępnych na rynku. Urządzenie to jest na tyle uniwersalne, że może może być pokryte zarówno warstwą typu PVD, jak i czarnym chromem.
Absorber aluminiowo-miedziany
Rosnące ceny miedzi pchnęły producentów do stworzenia nowego wariantu urządzenia: absorbera aluminiowo-miedzianego. Pozwoliło to znacząco obniżyć koszty produkcji kolektorów słonecznych. W takim wypadku, orurowanie pozostaje wykonane z miedzi, aby umożliwić wykonanie standardowej instalacji solarnej. Absorbery tego typu pokrywane są wyłącznie niebieskimi pokryciami (PVD), takim jak tlenek tytanu.
Absorber aluminiowy
Jeśli chodzi o najnowsze trendy w produkcji kolektorów słonecznych, bez wątpienia możemy do nich zaliczyć wykorzystywanie absorberów wykonanych z aluminium. Rozwiązanie to jest bardziej przyjazne dla środowiska, gdyż umożliwia recykling w przyszłości. Warto także wspomnieć, że koszty produkcyjne takiego urządzenia są zdecydowanie niższe, niż w przypadku absorberów miedzianych. Niestety, istnieją także ciemne strony tego rozwiązania. Całkowite zastąpienie miedzi uniemożliwia wykonanie połączeń lutowanych, czy też zastosowanie praktycznych miedzianych rur, których brak może skutecznie utrudniać wykonanie instalacji solarnej.
Szyba solarna
Ważnym elementem budowy kolektora słonecznego jest szklane przykrycie, znane jako szyba solarna. Jej głównym zadaniem jest zapewnienie ochrony umieszczonemu pod nią absorberowi przed warunkami atmosferycznymi, w tym przed śniegiem i gradem. Do jej produkcji zazwyczaj wykorzystuje się szkło hartowane o dużej przepuszczalności światła słonecznego (klasa U1) - jest to możliwe do uzyskania dzięki zastosowaniu minimalnej ilości żelaza podczas jego produkcji.
Szyby solarne używane do budowy kolektorów słonecznych są specjalnie przystosowane do różnego rodzaju mechanicznych obciążeń, w tym wiatru czy zalegającego na nich śniegu. Muszą również przejść test odporności na gradobicie, aby ocenić ich wytrzymałość na uderzenia.
Obudowa kolektora słonecznego
Obudowa kolektora słonecznego jest niezwykle ważnym elementem, pełniącym kilka funkcji jednocześnie. Przede wszystkim stanowi ona osłonę wnętrza panela solarnego, chroniąc go przed utratą ciepła oraz wpływem czynników atmosferycznych. Aby spełnić te wymagania, obudowa powinna być wytrzymała i odporna na korozję.
Do jej produkcji najczęściej stosuje się aluminiowe profile, które zapewniają odpowiednie właściwości mechaniczne i jednocześnie są lekkie. W obrębie obudowy umieszcza się także izolację, np. skalną wełnę mineralną, która ogranicza straty ciepła i zapewnia właściwą wentylację.
Ponadto, obudowa kolektora słonecznego powinna być dostosowana do warunków pogodowych w danym rejonie. Na przykład, w miejscach o dużych opadach śniegu konieczne jest zastosowanie obudowy o odpowiedniej sztywności, aby ta nie ulegała zgnieceniu pod ciężarem białego puchu. Z kolei w strefach o silnym nasłonecznieniu ważne jest użycie obudowy kolektora słonecznego z dobrym współczynnikiem przepuszczalności promieni słonecznych, aby zapewnić jak najlepsze wykorzystanie energii słonecznej przez urządzenie. Warto również zwrócić uwagę na estetykę obudowy, ponieważ kolektory słoneczne są widoczne z zewnątrz budynku. Obecnie na rynku dostępne są obudowy w różnych kolorach, co pozwala na dobór odpowiedniego rozwiązania do każdej konstrukcji.
Orurowanie
Orurowanie to kluczowy element instalacji kolektorów słonecznych, którego zadaniem jest przenoszenie ciepła z absorbera do innych miejsc, takich jak zasobnik ciepłej wody użytkowej. To układ rur, które są wypełnione płynem odpornym na zamarzanie (glikol), dzięki któremu możliwy jest skuteczny transport ciepła. Podobnie jak w przypadku absorbera, do produkcji orurowania używa się aluminium, a w rzadszych przypadkach także miedzi. Oba materiały są dobrymi przewodnikami, a także wykazują się odpornością na korozję i wahania temperatur.
W instalacjach kolektorów słonecznych można spotkać dwa główne rodzaje orurowania: harfowe i meandrowe.
Jak działa kolektor słoneczny?
Dzięki znajomości budowy kolektora słonecznego i elementów wchodzących w jego skład, zrozumienie sposobu funkcjonowania całego systemu nie powinno stanowić większego problemu. Urządzenia te swoje działanie opierają na prostych zasadach fizyki. Absorber znajdujący się w kolektorach przechwytuje promieniowanie słoneczne i zamienia je na ciepło. W następnym etapie przesyłane jest ono do ciekłego czynnika krążącego w układzie rur, najczęściej pod postacią glikolu. Ogrzany płyn jest potem przekazywany do wężownicy zasobnika, gdzie oddaje ciepło do wody użytkowej. Po schłodzeniu, płyn wraca do kolektora słonecznego, powtarzając cykl.
Jak wygląda prawidłowy montaż kolektorów słonecznych?
Podczas montażu kolektorów słonecznych przede wszystkim trzeba mieć na uwadze kąt nachylenia modułów - to od niego zależy efektywność całej instalacji. Podobnie jak w przypadku paneli fotowoltaicznych, najbardziej optymalnym ustawieniem dla instalacji solarnej będzie kierunek południowy oraz kąt nachylenia około 35-40 stopni.
Istnieje jednak możliwość montażu kolektorów słonecznych pod kątem 30 stopni - wówczas urządzenia będą generowały maksymalne zyski w miesiącach letnich. Z kolei kąt 60 stopni jest najlepszy, gdy zależy nam na wysokiej efektywności systemu zimą.
Gdzie można montować kolektory słoneczne?
- Montaż nad dachówką
Pozwala na instalację kolektorów równolegle do połaci dachu, kilka centymetrów nad jego powierzchnią. W przypadku gdy dachówka jest za płaska, solary można zainstalować pod innym kątem niż spadek dachu, na specjalnie skonstruowanych stelażach. Ta metoda jest popularna ze względu na łatwość instalacji, nie wymagającą ingerencji dekarza. - Montaż zintegrowany
Polega na umieszczeniu modułu solarnego w linii dachówek, co umożliwia pełną integrację kolektora z powierzchnią dachu i jednocześnie lepszą osłonę przed wiatrem. Takie rozwiązanie powoduje mniejsze obciążenie wynikające z gromadzenia się śniegu i niższe straty energii. Niestety, wymaga ono demontażu części pokrycia dachowego. - Montaż na ścianie budynku
Zalecane jest przytwierdzenie kolektora do południowej ściany budynku, co zapewnia większą wydajność instalacji poprzez możliwość absorbowania dodatkowego promieniowania odbijającego się od obiektów wokół budynku. Kolektor przymocowany do ściany jest też mniej narażony na chłodzący wpływ wiatru. - Montaż na dowolnym podłożu
Innym sposobem instalacji jest montaż kolektorów słonecznych na ziemi, tarasie lub na balkonie. Są to wygodne opcje, ponieważ umożliwiają łatwy dostęp do urządzenia w razie potrzeby naprawy, czyszczenia lub odśnieżania. Dodatkowo, łatwiej je także ustawić w odpowiedniej pozycji w stosunku do słońca. Ten alternatywny sposób montażu sprawdza się najlepiej, gdy dachówka nie jest w stanie wytrzymać ciężaru kolektorów lub gdy kąt nachylenia dachu jest nieodpowiedni i nie może zostać w żaden sposób skorygowany.
Montaż kolektorów słonecznych - dodatkowe wskazówki
- Przed montażem kolektorów słonecznych, połać dachu powinna zostać sprawdzona pod kątem zdolności do utrzymania ciężaru urządzeń bez konieczności jej renowacji.
- W celu uzyskania najlepszych wyników, powierzchnia dachu powinna umożliwiać montaż wszystkich kolektorów tak, aby żaden z nich nie był zacieniany przez inne elementy takie jak drzewa lub sąsiednie budynki.
- Ilość przeszkód na dachu, takich jak kominy, nadbudówki, szyby wentylacyjne i świetliki, powinna być minimalna, ponieważ ich obecność może wpłynąć na konieczność dzielenia kolektorów na mniejsze grupy i tym samym podniesienie kosztów inwestycji oraz obniżenie efektywności urządzeń.
- W przypadku kolektorów przeznaczonych głównie do użytku latem, takich jak do podgrzewania wody basenowej, można je ustawić bardziej płasko. Natomiast jeśli mają one pracować przez okresy przejściowe i zimę, takie jak w instalacjach do wspomagania ogrzewania budynków, powinny być ustawione pod większym kątem (60 stopni).
- W celu uniknięcia zacienienia kolektorów pracujących przez cały rok, należy zapewnić im odpowiednie oddalenie od innych elementów. Pomocne w tym będzie wyznaczenie kąta minimalnej wysokości słońca dla określonej szerokości geograficznej i skorzystanie z programów do wyznaczania trajektorii ruchu słońca.
Opłacalność kolektorów słonecznych
Wiemy już czym są kolektory słoneczne, gdzie można je montować oraz jak działają. Pozostaje jeszcze jedna, ostatnia kwestia, która jest niemniej ważna niż wszystkie poprzednie: czy montaż kolektorów słonecznych się opłaca?
Kolektory słoneczne - cena
Przede wszystkim warto wiedzieć, że zakup gotowego zestawu dedykowanego dla konkretnej liczby osób jest o wiele prostszy, niż samodzielne kompletowanie całego systemu. Dla czteroosobowej rodziny zaleca się wybór zestawu solarnego o pojemności zasobnika 200l, dla 5-7 osób natomiast - 300l. Ich ceny zaczynają się już od 5500 złotych w zależności od producenta.
Koszt montażu kolektorów słonecznych zwykle kształtuje się między 1500 a 2000 zł brutto. Ze względu na łatwość instalacji, część osób decyduje się na samodzielne wykonanie tej czynności. Wspomniana łatwość instalacji jest zapewniona przez zastosowanie gotowych przewodów solarnych, które są fabrycznie izolowane i nie wymagają specjalistycznych narzędzi. Dzięki karbowanej rurze ze stali nierdzewnej, zmiana kierunku przewodów jest łatwa do wykonania ręcznie, bez ryzyka ich złamania. Gwintowane złączki na końcach rury umożliwiają łączenie przewodów z pozostałymi elementami instalacji bez konieczności lutowania. Każda osoba posiadająca doświadczenie montażowe powinna sobie poradzić - jeżeli jednak czujemy się w tej kwestii niepewnie, lepiej nie ryzykować uszkodzeniem modułów i powierzyć sprawę specjalistom.
Eksploatacja kolektorów słonecznych - koszt
Instalacja solarna wykorzystuje energię słoneczną do produkcji ciepła, ale nie oznacza to, że nie potrzebuje też energii elektrycznej. Wszystkie instalacje solarne zawierają sterownik i pompę obiegową, które do pracy wymagają prądu - jednak w ilości znacznie mniejszej niż inne urządzenia grzewcze, takie jak kotły na paliwo stałe czy też grzałki elektryczne.
Średni roczny koszt energii elektrycznej potrzebnej do produkcji ciepła przy pomocy kolektorów słonecznych wynosi zwykle mniej niż 15 zł. Wszystkie urządzenia, w tym także solary, wymagają wymiany części, które ulegają zużyciu w trakcie eksploatacji. W przypadku kolektorów słonecznych konieczna jest okresowa (co 3-5 lat) wymiana płynu solnego, którego koszt wynosi około 200 złotych.
Po jakim czasie inwestycja w solary się zwraca?
Instalacje solarne są jednymi z najszybciej zwracających się rozwiązań na rynku. Okres zwrotu zależy od tego, z czym je porównamy. Na przykład instalacja solarna z 200-litrowym zbiornikiem, która kosztuje 5500 zł, może oszczędzać nam rocznie 1400 zł w stosunku do grzałki elektrycznej - oznacza to, że okres zwrotu inwestycji wynosi zaledwie 4 lata. Warto wiedzieć, że można uzyskać dofinansowanie na rozwiązania odnawialne, co skróci ten okres do 2 lat. Solarne instalacje są też bardzo trwałe, można je spotkać działające nieprzerwanie nawet od 20 lat. Biorąc pod uwagę 4-letni okres zwrotu i roczne oszczędności na poziomie 1400 zł, w ciągu 15 lat można zaoszczędzić nawet 15 000 zł.
Aspekt ekologiczny instalacji solarnej
Redukcja kosztów eksploatacyjnych, szybki zwrot inwestycji i generowanie oszczędności to naturalnie najważniejsze czynniki przemawiające za instalacją kolektorów słonecznych dla inwestorów. Niemniej jednak, warto uwzględnić, że istnieją inne aspekty wpływające na ich opłacalność. W dzisiejszych czasach, kiedy zasoby naturalne ulegają szybkiemu wyczerpaniu, a stan planety jest poważnie zagrożony, warto zauważyć, że inwestycja w kolektory słoneczne posiada także uzasadnienie ekologiczne. Poprzez zmniejszenie emisji CO2 do atmosfery, przyczyniamy się do poprawy jakości powietrza, co wpływa pozytywnie na nasze zdrowie.
Fotowoltaika czy solary?
Wybór pomiędzy solarami a fotowoltaiką zależy od potrzeb i oczekiwań użytkownika. Kolektory słoneczne są doskonałym rozwiązaniem, jeśli chcemy uzyskać ciepłą wodę użytkową. Latem dobrze zaprojektowana i zamontowana instalacja kolektorów słonecznych może zaspokoić nasze potrzeby w tej kwestii, a w okresie wiosenno-jesiennym częściowo. Natomiast, jeśli mamy kocioł na paliwo stałe, warto włączyć kolektory słoneczne do naszej instalacji grzewczej, ponieważ pozwolą one uniknąć konieczności jego używania latem, co jest korzystne dla naszego portfela i dla środowiska. Możliwe jest także połączenie systemu solarnego z pompą ciepła, kotłem gazowym czy olejowym.
Z kolei, jeśli naszym głównym celem jest produkcja energii elektrycznej, to lepszym rozwiązaniem będą panele fotowoltaiczne. Mogą one zaspokoić nasze potrzeby w zakresie wytwarzania prądu i pozwolić na znaczne oszczędności na rachunkach za energię.
Kolektory słoneczne | Podsumowanie
Kolektory słoneczne to urządzenia łudząco podobne do paneli fotowoltaicznych, jednak ich rola jest zupełnie inna. Podczas gdy zadaniem fotowoltaiki jest produkcja prądu, solary zajmują się ogrzewaniem wody użytkowej lub też wspierają pracę głównego systemu grzewczego. Wiele czynników świadczy o ich wysokiej opłacalności, przede wszystkim szybki zwrot inwestycji, możliwość uzyskania dofinansowania na zakup i montaż instalacji, a także późniejsze generowanie oszczędności na ogrzewaniu. Każda osoba, której zależy na stworzeniu energooszczędnego gospodarstwa domowego, z pewnością powinna rozważyć montaż kolektorów słonecznych na swojej posesji.
