Kolektory słoneczne - próżniowe

     Na bazie badań zaczęły powstawać mity o osiągach tych urządzeń. Oczywiście, że dobrze wykonane kolektory próżniowe mają większą sprawność niż kolektory płaskie, ale duża część kolektorów, jaka pojawiła się na rynku, nie spełnia podstawowych wymogów tego rodzaju urządzeń. Dotyczy to kolektorów chińskich, które wizualnie niewiele różnią się od wyrobów wiodących firm.

 

 

Cała tajemnica tkwi wewnątrz kolektora. Podstawowym błędem popełnianym przez wszystkich, którzy nie mają wiedzy o kolektorach, jest wrzucenie wszystkich typów kolektorów próżniowych do jednego worka. Zwłaszcza przy wyborze należy zwrócić uwagę na wewnętrzną budowę, ilość rur i ich średnicę w kolektorze. Są kolektory, które posiadają nie więcej jak dziesięć rur i są takie, które posiadają dwadzieścia i więcej rur, przez co ich osiągi są zróżnicowane. Istnieją też kolektory, w których średnica zewnętrzna rury wynosi 47 mm, a znowuż w innych – 58 mm, co także wpływa na dysproporcję osiągów.

W kolektorze płaskim obliczenie powierzchni apertury (powierzchni czynnej absorbera, na której wytwarzane jest ciepło) jest proste – szerokość razy wysokość absorbera. Natomiast w kolektorze próżniowym istnieje swoista „wolna amerykanka”. Nierzetelne obliczenie pow. apertury prowadzi do błędnego obliczenia ilości rur w instalacji solarnej w stosunku do zapotrzebowania na ciepło.

Dla przykładu można omówić kolektor składający się z 15 rur o średnicy 58 mm i o długości 1,8 m. Wiele firm sprzedających kolektory do obliczeń przyjmuje średnicę 58 mm. Warstwa absorpcyjna napylona jest na wewnętrznej rurze, której średnica wynosi 47mm i aby obliczenie było prawidłowe, to należy przyjąć średnicę 47 mm.

Obecnie na polskim rynku najbardziej popularne – pod względem rozwiązań konstrukcyjnych – są trzy typy kolektorów:

 

 

Na wstępie warto przyjrzeć się dwóm pierwszym typom, bo te wzbudzają najwięcej kontrowersji. W płaskim kolektorze przepływ ciepła z absorbera do czynnika grzewczego jest stosunkowo prosty – rury z czynnikiem przymocowane są bezpośrednio do absorbera, gdzie ciepło jest przekazywane wprost do czynnika grzewczego.

W pierwszym typie kolektorów próżniowych droga wytwarzanego ciepła jest skomplikowana – ciepło powstaje na zewnętrznej ściance wewnętrznej rury, a więc na szklanej rurze, zatem ciepło w jakiś sposób wędruje do parownika „gorącej rurki”. Przekazanie tego ciepła w większości kolektorów następuje poprzez kontakt wyprofilowanych kawałków taśmy aluminiowej między szkłem a rurą parownika. Niestaranne wyprofilowanie blachy aluminiowej powoduje nieodpowiedni kontakt ze szkłem, przez co przewodzenie ciepła między szkłem a rurą parownika jest kiepskie, gdyż ciepło przekazywane musi być przez powietrze znajdujące się wokół blachy fot. 1.

 

 

 

Efektywne przekazanie ciepła następuje tylko w miejscach styku blachy ze szkłem. Poza tym blacha część ciepła mogłaby absorbować, ale ze względu na swoje własności odbija z powrotem do szkła (podobna sytuacja występuje przy umieszczeniu folii aluminiowej za grzejnikiem). Następnie z taśmy aluminiowej ciepło wędruje do parownika, gdzie znowu powstaje problem styku taśmy z rurą parownika. Na skutek ogrzania rury parownika ciecz umieszczona w niej paruje i skraplając się w skraplaczu, ogrzewa go do znacznej temperatury. Sam skraplacz umieszczony jest na końcu parownika w postaci charakterystycznego zgrubienia rury i jest on wetknięty w magistralę zbiorczą kolektora (fot. 2). Tu ciepło przekazywane jest znów przez kontakt na styku skraplacza z magistralą zbiorczą.

 

 

W sprawnie działających kolektorach temperatura czynnika odbierającego ciepło powinna być zbliżona do temperatury skraplacza, gdyż różnica ich temperatur jest wyznacznikiem poprawności przepływu ciepła. W kolektorach z „gorącą rurką” ze względu na zbyt małą powierzchnię skraplacza czynnik grzewczy nie odbiera ciepła w sposób dostateczny, powodując nadmierne rozgrzewanie skraplacza. A przecież w przekazywaniu ciepła powierzchnia ma decydujące znaczenie. Cechą charakterystyczną tych kolektorów jest ustalenie przez producenta przepływu przez kolektor 15-rurowy na poziomie 1,5 l/min, a więc mocno zdławionego.

Kolektory o bezpośrednim przepływie są zbudowane w sposób o wiele prostszy. Czynnik przepływa przez rurę miedzianą wyprofilowaną w kształcie „u”, gdzie „u rurka” umieszczona jest bezpośrednio w rurze próżniowej. Niestety, znowu powstaje tu problem przekazania ciepła z wewnętrznej rury próżniowej.

 

 

Podobnie jak poprzednio wyprofilowana taśma aluminiowa „gubi” znaczną część ciepła na styku rura szklana – taśma i taśma rura – miedziana. W modelu przedstawionym na fot. 3. blachy są już bardziej starannie wyprofilowane, ale powrotna część „u rurki” nie jest opasana przez taśmę aluminiową, przez co transport ciepła odbywa się tylko górną rurką. Mimo że ciepło przekazywane jest z taśmy aluminiowej poprzez „u rurkę” do czynnika grzewczego, to powierzchnia przekazująca jest o wiele większa niż w kolektorze wcześniej rozpatrywanym. Sprawność tego typu kolektora wzrasta, jednak powstająca warstwa tlenku miedzi na rurce z czasem prawdopodobnie nieco zmniejszy pozyskiwaną ilość ciepła.

 

Podstawową różnicą między kolektorami płaskimi a próżniowymi (podkreślaną w przesadny sposób) jest uzysk cieplny kolektora przy promieniowaniu rozproszonym, kiedy niebo jest zachmurzone. Przypomnijmy, że na skutek zamiany promieniowania słonecznego na absorberze kolektora uzyskujemy ciepło, lecz najwięcej ciepła wytwarzane jest z promieniowania podczerwonego, które podczas zachmurzonego nieba jest znikome ze względu na pochłaniające je chmury (rys. 1).

 

 

 

Niebagatelny wpływ na uzysk energetyczny kolektora ma również kąt pochylenia – wszak w okresach zimowych jest on bardzo niekorzystny. Jeżeli podczas pięknej, słonecznej pogody natężenie promieniowania wynosi ok. 1000kWh /m², to podczas pełnego zachmurzenia wartość ta wynosi 100-200 kWh /m². Wynika to z tej przyczyny, że promieniowanie podczerwone pochłaniane jest przez warstwę chmur. Ponieważ do kolektora dochodzi tylko światło widzialne i ono jest „przetwarzane” na ciepło, ilość ciepła jest tak mała. Jednocześnie oddawanie ciepła do atmosfery (straty kolektora) zależą tylko od jego izolacyjności. I w tym przypadku kolektor próżniowy jest lepszy od płaskiego – izolację kolektora próżniowego tworzy właśnie próżnia w rurze termosu.

Niestety, sposób odbioru ciepła z kolektora próżniowego do instalacji właściwie niweluje tę przewagę, zwłaszcza, że te minimalne ilości ciepła właściwie pochłaniane są przez ww. procesy jego przekazywania.

Bo nie sztuką jest zagotowanie szklanki wody – tylko nagrzanie całej wanny.

 dr inż. Jan Czarnecki, Witold Jabłoński, Bachus