Przyjrzyjmy się na początek najważniejszym wielkościom, które opisują każdy kolektor słoneczny oraz znaczeniom tych pojęć.

Wymiary

Przy opisie kolektorów używa się trzech różnych miar ich powierzchni. Dane te przynoszą informację o mocy i wydajności kolektorów. Jednakże literatura nie zawsze poprawnie podaje, o który rodzaj powierzchni w danym aspekcie chodzi.

Jako powierzchnię brutto określa się zewnętrzną powierzchnię kolektora, będącą iloczynem długości i szerokości urządzenia. Powierzchnia brutto nie wpływa na moc urządzenia, ale jest niezbędna do projektowania, a później do montażu na połaci dachu.

Powierzchnia absorbera odnosi się wyłącznie do absorbera, przy czym w tzw.  absorberze ryflowanym (ryflować, znaczy nadać powierzchni szorstkość) zachodzące na siebie pojedyncze „prążki” nie są sumowane, gdyż częściowo przykryte obszary nie są wliczane do powierzchni aktywnej.

Natomiast przy absorberze okrągłym zalicza się całą powierzchnię absorbera pomimo, że niektóre obszary nie są bezpośrednio wystawione na działanie promieni słonecznych. Podawanie takich wartości jako argumentu za danym kolektorem jest więc wprowadzaniem klienta w błąd.

Apertura

W optyce aperturę określa się jako średnicę otworu urządzenia optycznego, przez który wpada światło. W odniesieniu do kolektorów, powierzchnią apertury jest największa powierzchnia, przez którą wpadają promienie słoneczne.

W kolektorach płaskich powierzchnią apertury jest widoczny obszar na szybie kolektora czyli obszar wewnątrz ramy kolektora, przez który wpada światło do urządzenia.

W kolektorach próżniowych zarówno z płaskim, jak i z okrągłym absorberem bez powierzchni lustrzanej, powierzchnię apertury określa się jako sumę wszystkich odcinków szklanych rur. Powierzchnia apertury jest tu większa niż w kolektorach płaskich.

W kolektorach rurowych, gdzie powierzchnia z lustrem leży po ich spodniej stronie, powierzchnię naświetloną zwierciadłem określa się mianem powierzchni apertury.

Zabieg montażu tzw. luster do skupiania promieni słonecznych nie sprawdza się w praktyce i stanowi większy problem niż pożytek. Warstwa odbijająca matowieje i w krótkim czasie przestaje spełniać swoje zadanie, jest też miejscem gromadzenia się zanieczyszczeń, a w zimie zalegania śniegu.

Na rysunku - wyznaczanie pola powierzchni kolektora płaskiego i próżniowego

1. płaski
2. próżniowy typu HeatPipe z pojedynczym przeszkleniem lub próżniowy z przepływem bezpośrednim z pojedynczym przeszkleniem (wtedy wewnętrzna rura jest podwójna, tzw. rura w rurze)
3. próżniowy z przepływem bezpośrednim z podwójnym przeszkleniem (termos), opcjonalnie montowane są lustra skupiające w jego dolnej części
4.  próżniowy typu HeatPipe z podwójnym przeszkleniem (termos)

Sprawność

Sprawność kolektora jest zależna od ilości promieni słonecznych padających na aperturę powierzchni kolektora, która z kolei zamienia je na potrzebne ciepło. Jako aperturę powierzchni, określa się powierzchnię kolektora, na którą pada słońce.

Sprawność działania całego urządzenia jest zależna od rodzaju jego konstrukcji i użytych materiałów. Część promieniowania słonecznego padającego na kolektor jest odbijana i absorbowana przez szybę kolektora. Z zależności pomiędzy całkowitą wartością napromieniowania słonecznego padającego na kolektor, a tą jego częścią, która została przetworzona przez absorber w ciepło, można wyliczyć sprawność kolektora.

Tzw. optyczny współczynnik sprawności, określany jako η0, jest sprawnością w warunkach zerowej różnicy temperatury pomiędzy czynnikiem solarnym a otoczeniem. Kiedy kolektor nagrzeje się dzięki promieniom słonecznym, oddaje część ciepła do otoczenia poprzez izolację, promieniowanie cieplne obudowy kolektora i konwekcję (ruch powietrza).

Te straty można z kolei wyliczyć za pomocą współczynników strat ciepła a1 i a2 oraz różnicy temperatur między absorberem a środowiskiem. Optyczny współczynnik sprawności i współczynniki strat ciepła są określane wg europejskich norm EN 12975.

Warto więc sprawdzić parametry kolektora, którym jesteśmy zainteresowani, ponieważ wiele firm w swoich materiałach podaje tylko wygodne dla siebie wartości.

Sprawdź wiarygodność

Do weryfikacji wiarygodności i rzetelności producenta służy także certyfikat Solar Keymark, a listę producentów i urządzeń posiadających ten certyfikat można sprawdzić tutaj.

Poniżej podajemy przykład parametrów podawanych w certyfikacie Solar Keymark dla kolektora próżniowego:

Powierzchnia apertury        Powierzchnia brutto                 Moc maksymalna kolektora

 
η0 - sprawność optyczna w odniesieniu do apertury
a1 - współczynnik strat
a2 – współczynnik strat

Na poniższym wykresie prezentujemy przykładowe sprawności kolektorów słonecznych: R-próżniowych i F-płaskich dla napromieniowania Eg=800 W/m2

Moc kolektora

Moc maksymalną kolektora definiuje się jako iloczyn optycznego współczynnika sprawności i przyjętego napromieniowania, np. 1000 W/m2.

Przy przyjętym optycznym współczynniku sprawności wynoszącym 78 proc., moc maksymalna wynosi 0,78 kW na m2 powierzchni kolektora. Jednakże z uwagi na różne warunki operowania słońca i występujące straty ciepła do otoczenia, przy normalnej pracy kolektor rzadko osiąga tę wartość.

Wartości mocy dla różnych różnic temperatury pomiędzy absorberem a otoczeniem podane są w certyfikacie Solar Keymark. Analizując podane wartości można dojść do bardzo ciekawych wniosków.

Poniżej podajemy porównanie mocy użytecznej kolektorów, w odniesieniu do m2 powierzchni absorbera dla różnych różnic temperatur (G=1000 W/m2).

Wykres wskazuje zatem spodziewaną moc rzeczywistą, niezależnie od wielkości kolektora.

Okazuje się, że kolektory płaskie wykazują większą moc niż słabej jakości kolektory próżniowe w zakresie różnic temperatur 50 K, a więc dla typowego zastosowania kolektorów do wspomagania ogrzewania wody użytkowej. Dopiero większa różnica temperatur powoduje wzrost udziału strat ciepła do otoczenia i jego moc wyraźnie spada.

Najniższe słupki mocy użytecznej to kolektory próżniowe z podwójnym przeszkleniem, a więc z dwukrotnie większą przeszkodą dla promieni słonecznych. Nawet dodatkowe zabiegi związane z montażem lustra nie pomagają w osiąganiu wyższych wartości.

Pytania, które warto zadać producentowi kolektorów, przed podjęciem decyzji o ich zakupie:

- Jaka jest sprawność optyczna waszych kolektorów w odniesieniu do apertury (wartość podawana w certyfikacie Solar Keymark)?
- Jak jest moc użyteczna waszych kolektorów?

Na pytania odpowiada Dawid Pantera, Kierownik Akademii Viessmann:

- Które z kolektorów sprawdzają się lepiej w naszych Polskich warunkach – jaki kolektor wybrać do jakiego zastosowania ?
- W polskich warunkach klimatycznych kolektory płaskie i próżniowe gwarantują podobne uzyski energii. Kolektory płaskie są zwykle mniej awaryjne i dostępne w większości dobrej jakości.

Nieco inaczej jest w przypadku kolektorów próżniowych, które dostępne są zarówno dobrej, jak i słabej jakości. Różnica w stosunku do kolektorów płaskich jest taka, że kolektory te nadają się do montażu poziomego na dachach płaskich, na budynkach wysokich, a także poziomo lub pionowo na ścianach budynków. Tak więc wybór kolektorów w gruncie rzeczy zależy od miejsca montażu.

- W jaki sposób właściwie dobrać moc kolektorów do rzeczywistych potrzeb domowników żyjących w jednym budynku jednorodzinnym? Co szczególnie należy brać pod uwagę?
- Kolektory słoneczne powinny zostać dobrane do zapotrzebowania na energię, a nie na moc. W przypadku wspomagania ogrzewania wody użytkowej dobiera się taką wielkość instalacji, która w ciągu roku zapewni do 60 proc. pokrycia zapotrzebowania na ten cel. Do prawidłowego doboru można stosować gotowe tabele producentów.

- Co zrobić w momencie, gdy już zainstalowaliśmy na dachu zbyt dużo kolektorów w stosunku do naszych potrzeb? A co w sytuacji, gdy jednak jest ich za mało?
- Niedoszacowanie instalacji nie jest problemem. Instalację taką zwykle można bez problemów doposażyć, zwracając uwagę na pojemność zbiornika wody użytkowej (1m2 apertury = minimum 50 litrów dla kolektora płaskiego i minimum 100 litrów dla kolektora próżniowego).

W przypadku za dużej instalacji konieczny może okazać się demontaż części kolektorów. Za duża instalacja oznacza niską sprawność i częste przegrzewy instalacji prowadzące do degradacji płynu solarnego.

Cykl poświęcony kolektorom słonecznym:

Wszystko o kolektorach słonecznych
Jak czytać etykiety?
Dlaczego niektóre pracują słabiej?
Jak się starzeją kolektory?
Uważaj, co montujesz, bo będziesz cierpiał
WIDEO: Kolektory słoneczne w pigułce
GALERIA: Nabici w próżnię

Oprac. Ewa Grochowska