Coraz więcej niemieckich gospodarstw domowych używa kolektorów słonecznych. Pochłaniają energię słoneczną i zamieniają ją w ciepło. Niezależnie od tego, czy służy do wytwarzania ciepłej wody, czy do wspomagania ogrzewania - obszary zastosowań są zróżnicowane i stanowią krok w kierunku zrównoważonego życia.
Kolektory słoneczne (słoneczna energia cieplna) i ogniwa słoneczne (fotowoltaika) mogą przechowywać energię słoneczną i przekształcać ją w ciepło (słoneczna energia cieplna) lub energię elektryczną (fotowoltaika). To wielkie osiągnięcie, ponieważ gwiazda w centrum Układu Słonecznego jest ogromnym źródłem energii: każdego dnia w Ziemię uderza około 1,8 x 1014 kilowatów. My, ludzie, nie potrzebujemy nawet tyle energii - produkcja energii wynosząca 1010 kilowatów pokrywa już globalne zapotrzebowanie, a każdego dnia otrzymujemy około 10 000 razy więcej energii.
Chociaż wykorzystanie energii słonecznej zaczęło się w starożytności, a prekursor dzisiejszych kolektorów słonecznych został wynaleziony w XIX wieku, rzeczywiste wykorzystanie termicznej technologii słonecznej w Europie rozpoczęło się dopiero w czasie kryzysu naftowego w 1973 roku. wtedy na rynek pojawiły się pierwsze panele słoneczne. Większość z nich była zbyt droga i zawodna technicznie.
Ale wiele się wydarzyło w ciągu ostatnich 45 lat. Kolektory słoneczne można teraz znaleźć na wielu dachach domów i są dobrym sposobem na generowanie dodatkowego ciepła.
Dzięki dyskretnemu wyglądowi kolektory słoneczne nadają się teraz do każdego rozwiązania architektonicznego. Integracja dachu sprawdza się od wielu lat i zapewnia ochronę przed wiatrem i warunkami atmosferycznymi.
Budowa i funkcja kolektora słonecznego
Aby wykorzystać energię słoneczną do podgrzewania wody lub ogrzewania, niezbędny jest system solarny. Ale uważaj: drugi generator ciepła jest zawsze potrzebny, ponieważ energia generowana przez system solarny jest niewystarczająca, szczególnie zimą. Drogie, ale jedyna alternatywa: zimą oszczędzasz ciepło słońca dzięki ogromnym zbiornikom.
Sercem układu słonecznego jest kolektor. Wewnątrz znajduje się pochłaniacz, który wyłapuje promieniowanie słoneczne i nagrzewa się przy tym. Powoduje to wytwarzanie ciepła, które z kolei jest przekazywane do nośnika ciepła. Nośnikiem ciepła jest ciecz (ciecz słoneczna), zwykle składająca się z wody i glikolu propylenowego. Głównym celem glikolu propylenowego jest zapobieganie zamarzaniu wody zimą i nadmiernemu nagrzewaniu się latem. Podgrzana ciecz jest pompowana rurami przez absorber, a następnie do słonecznego zbiornika magazynowego. W większości przypadków absorber jest izolowany z boku i od spodu, aby zapobiec utracie ciepła.
Rodzaje paneli słonecznych
W zależności od przestrzeni montażowej i budżetu można wybierać między dwoma podstawowymi modelami: kolektorem płaskim i kolektorem rurowym.
Kolektor płaski
- absorber
Kolektor płaski jest używany bardzo często. Zawiera płaski, ciągły absorber, na przykład wykonany z poczerniałego metalu, z tyłu którego przymocowane są rury wodociągowe, które przewodzą ciepło. Ilość promieni słonecznych pochłanianych przez pochłaniacz zależy od materiału, kształtu, ułożenia rurek i powłoki. Panele najlepiej pochłaniają promienie słoneczne, gdy materiał jest możliwie czarny, cienki i przewodzący ciepło.
- Nośnik ciepła
Woda obiegowa jest wzbogacona środkami przeciw zamarzaniu, takimi jak glikol propylenowy lub etylenowy, dzięki czemu mróz nie powoduje rozerwania rur. Jednak dodatki powinny być neutralne dla środowiska.
- Obudowa kolektora
Pochłaniacz spoczywa w szczelnie zamkniętym pudełku, które chroni przed wilgocią i kurzem. Obudowa musi być wykonana z materiału odpornego na korozję.
- Warstwa izolacyjna
Obudowa wyłożona jest lekkim, ale mocnym materiałem. Musi mieć niską wartość współczynnika U i wytrzymywać wysokie temperatury w kolektorze. Powszechne są panele z twardej pianki w połączeniu z matami z wełny mineralnej, ale także wełną owczą i kamienną. Uważaj na składniki odgazowujące: tworzą osad po wewnętrznej stronie oszklenia i zmniejszają dopływ światła.
- Szklana osłona
Skrzynka kolektora przykryta jest szklaną płytą. Przy doborze szkła istotny jest tzw. Stopień przepuszczalności. Wskazuje, ile promieniowania świetlnego przepuszcza szkło. Szkło powinno osiągnąć wartość 0,9. W tym celu stosuje się szkło hartowane o niskiej zawartości żelaza. Zwykle jest tak skonstruowany, że nie oślepia. Od wielu lat istnieją okulary przeciwodblaskowe, które mają wyższą przepuszczalność niż szkła strukturalne. Jednak kosztują trochę więcej.
Kolektor próżniowy
Kolektory próżniowe składają się z dużej liczby rur próżniowych otoczonych metalowymi reflektorami. W ten sposób światło słoneczne jest odbijane przez reflektory do rury. Zawierają one ciemny absorber. Ponieważ rury są opróżniane, straty ciepła są zminimalizowane. Ponadto wyższe temperatury występują na mniejszym obszarze. Kolektor działa również skutecznie w rozproszonym świetle słonecznym. Na przykład kolektory rurowe wytwarzają tyle samo ciepłej wody na powierzchni 3,5 metra kwadratowego, co kolektory płaskie na powierzchni pięciu metrów kwadratowych. Latem wystarczy to prawie całkowicie, aby podgrzać wodę czteroosobowej rodziny. W ciągu roku 60 procent potrzeb rodziny na ciepłą wodę jest zaspokajanych. Wada: kolektor rurowy kosztuje dwa razy więcej niż kolektor płaski.
W przypadku kolektorów rurowych należy zauważyć, że istnieją dwa różne typy, które przedstawiamy poniżej:
- Zasada rury cieplnej
Każda zamknięta rura tworzy zamknięty obwód. Promienie słoneczne uderzające w absorber w rurce powodują odparowanie specjalnego płynu. W górnej części rury para schładza się na bloku wymiennika ciepła. Para znów się skrapla. Ciecz w rurze spływa z powrotem w dół - parowanie zaczyna się od nowa. Ciepło uwolnione w tym procesie podgrzewa krążący płyn, który przepływa przez wymiennik ciepła. System rurek cieplnych wymaga minimalnego kąta nachylenia około 30 procent, aby obwód działał.
- Rury z przepływem bezpośrednim
Dzięki temu systemowi słońce bezpośrednio ogrzewa płyn przenoszący ciepło w rurze absorbera w środku rury. Nośnik ciepła przepływa przez kilka rur. Ogromną zaletą tego systemu jest to, że tuby można montować w pionie i poziomie.
Kolektory próżniowe zapewniają optymalny uzysk energii nawet przy niewielkim nasłonecznieniu oraz w zimnych porach roku.
Od jakich warunków zależy wydajność?
Roczna wydajność kolektora słonecznego zależy od kilku czynników:
- Warunki klimatyczne: pomiędzy poszczególnymi lokalizacjami w Niemczech mogą występować znaczne różnice. Istnieją lokalizacje z ponad 1000 kilowatogodzin na metr kwadratowy rocznie i lokalizacje z mniej niż 900 kilowatogodzin na metr kwadratowy rocznie.
- Orientacja: Najlepsza jest orientacja na południe i kąt nachylenia około 45 stopni.
- Cienie z innych budynków lub drzew.
- Zanieczyszczenie: Deszcz i śnieg zwykle usuwają dużą część brudu. Najlepiej używać delikatnych detergentów i miękkiej szczotki do usuwania uporczywych plam. Unikaj używania myjek wysokociśnieniowych.
Wielkość kolektorów do ogrzewania wody
Każdy, kto używa kolektorów płaskich, potrzebuje 1,5 metra kwadratowego powierzchni kolektora na osobę w gospodarstwie domowym do podgrzania wody. W przypadku mocniejszych kolektorów rurowych wystarczy 1 metr kwadratowy na głowicę. Praktyczna zasada dotycząca wielkości zbiornika na wodę: Oblicz 40 litrów ciepłej wody o temperaturze 45 stopni Celsjusza na osobę i razy w ciągu dnia 2. Czteroosobowe gospodarstwo domowe może sobie poradzić z 6 metrami kwadratowymi płaskiego lub 4 metrami kwadratowymi kolektorów rurowych i zbiornikiem o pojemności 300 litrów. Koszt: około 3500 euro.
Ogrzewanie energią słoneczną
Aby wykorzystać ciepło słoneczne do ogrzewania pomieszczeń, należy obliczyć od 3 do 4 metrów kwadratowych powierzchni kolektora na osobę w dobrze izolowanych domach. Zbiornik powinien mieć około 60 litrów na metr kwadratowy powierzchni kolektora, trochę więcej w przypadku kolektorów rurowych. Koszt: od około 6000 euro. W dobrze izolowanym domu system ogrzewania słonecznego może dostarczyć do 25 procent energii na ogrzewanie i ciepłą wodę.
Wpływ śniegu
Kiedy panele słoneczne są pokryte śniegiem, zwykle nie dają już żadnego plonu. Często jednak w te dni i tak nie ma plonów, ponieważ promieniowanie słoneczne jest zwykle zbyt niskie.
Jednak w przypadku kolektorów rurowych dobra wydajność jest nadal możliwa w pogodne, zimne dni, więc usuwanie śniegu może być przydatne.
Jeśli kolektor słoneczny jest pokryty śniegiem, zwykle nie przyjmuje światła słonecznego i dlatego nie może magazynować energii w postaci ciepła.
Porównanie wydajności kolektorów słonecznych i ogniw słonecznych
Co więcej - kolektory słoneczne czy ogniwa słoneczne? Doświadczenie pokazuje, że kolektory słoneczne są znacznie bardziej wydajne niż moduły fotowoltaiczne. Kolektory słoneczne osiągają sprawność około 90 procent przy stratach ciepła nieco poniżej 50 procent. Jednak jest to nadal lepsze niż sprawność systemu fotowoltaicznego o sprawności zaledwie 20 procent. Powodem tego jest to, że światło słoneczne obejmuje szerokie spektrum. Każdy rodzaj promieniowania można zamienić na ciepło. Jednak systemy fotowoltaiczne mogą przekształcić tylko niewielką część promieniowania w energię elektryczną.