To urządzenia zamieniające energię słoneczną na ciepło. Kolektory słoneczne umożliwiają zaoszczędzenie większej sumy pieniędzy wydanych na tradycyjne systemy grzewcze. Coraz więcej osób instaluje na dachach domów kolektory słoneczne. To skutek promowania odnawialnych źródeł energii oraz dofinansowanie na ekologiczne rozwiązania w zakresie ogrzewania.
W okresie letnim kolektory zapewniają pełne zabezpieczenie potrzeb na ciepłą wodę użytkową oraz dogrzanie domu. Zaś w okresie zimowym pozwalają na ograniczenie kosztów ogrzewania. Kolektory słoneczne nie należą do rozwiązań najtańszych, ale ich koszt początkowy zwraca się dość szybko. W Polsce kolektor nie ma szans stać się głównym i jedynym źródłem ciepła w domu, w instalacjach c.w.u., ani, tym bardziej, w systemach grzewczych. Jest u nas stanowczo za mało dni słonecznych w ciągu roku oraz zbyt często jest ono schowane za chmurami. Jednak nie oznacza to, że nie warto zastanowić się nad montażem systemu solarnego. Gdyż od marca do października dobrze dobrany zestaw jest w stanie zapewnić nawet 80-90% zapotrzebowania na ciepłą wodę. W miesiącach najcieplejszych, kolektory zapewnią 100% energii zużywanej na ogrzanie wody. Podgrzeją ciepłą wodę nawet w okresach chłodniejszym. Czasami wystarczą dwie-trzy godziny słońca w ciągu dnia, żeby ogrzać wodę w zbiorniku o kilka stopni. Mogą się one okazać niezastąpione w domach ogrzewanych wyłącznie prądem lub kotłem na paliwo stałe. Ciepłą wodę można wtedy uzyskiwać z kolektorów, dogrzewając ją jedynie podgrzewaczem elektrycznym. Warto wiedzieć, że im większe jest zużycie ciepłej wody w domu, tym kolektory stają się inwestycją bardziej opłacalną. Przed założeniem instalacji kolektorów słonecznych Zanim zdecydujemy się na solary, należy sprawdzić czy będą one dobrze współpracować z instalacją grzewczą. W domach jednorodzinnych ciepło do instalacji c.o. i c.w.u. dostarczają najczęściej kotły gazowe lub na paliwa stałe. Pozwala to kolektorom słonecznym włączonym do instalacji na wytwarzanie ciepła w sposób bardziej ekologiczny, tańszy, a także wygodniejszy.
W instalacji przetwarzającej energię słoneczną na ciepło do podgrzewania wody dla przeciętnej rodziny potrzebne są co najmniej dwa lub trzy kolektory, zasobnik, grupa solarna, sterownik. W sumie na inwestycję trzeba przeznaczyć 10-20 tys. zł, w zależności od jej wielkości oraz jakości i marki zastosowanych elementów.
Najważniejszym elementem instalacji solarnej jest kolektor. To on przechwytuje ciepło z promieniowania słonecznego i przekazuje je tzw. czynnikowi roboczemu do instalacji c.w.u. Firmy oferują dwa podstawowe typy kolektorów: płaskie i próżniowe rurowe.
Najbardziej popularny jest kolektor płaski. Posiada on nieco niższą efektywność energetyczną i szybciej traci ciepło niż kolektor rurowy, ale główną jego zaletą jest dużo niższa cena. Jedne i drugie stosuje się głównie do sezonowego ogrzewania c.w.u. między marcem i październikiem.
Czynnikiem roboczym może być w nich woda, która pozwala na dodatkowe obniżenie kosztów instalacji. Ze względu na odkładanie się kamienia w takiej wodnej instalacji nie jest ona polecana przez producentów kolektorów. Lepszym i najczęściej stosowanym czynnikiem roboczym jest niezamarzający roztwór glikolu.
W kolektorze płaskim znajduje się absorber promieniowania słonecznego połączony z rurkami miedzianymi, którymi płynie czynnik roboczy. Odbiera on ciepło od absorbera i przekazuje je do instalacji c.w.u. Absorberem jest płyta (wykonana ze stali, miedzi, aluminium lub tworzywa sztucznego) pokryta specjalną cienką powłoką zwiększającą skuteczność pochłaniania promieniowania słonecznego.
Od zewnątrz kolektor zabezpieczony jest szybą ze szkła hartowanego, teflonu lub przezroczystego tworzywa. Chroni ona przed czynnikami atmosferycznymi, takimi jak deszcz, grad czy śnieg. Przede wszystkim szyba ta zatrzymuje promieniowanie wewnątrz kolektora tworząc tzw. efekt „szklarniowy”, co pozwala osiągnąć wyższą temperaturę czynnika grzewczego. Od spodu kolektor jest zabezpieczony warstwą izolacji cieplnej, która uniemożliwia oddawanie ciepła na zewnątrz.
Wydajniejsze, ale i droższe są kolektory rurowe próżniowe. Wykorzystują one zarówno promieniowanie bezpośrednie jak i rozproszone, czyli takie, które przebija się przez cienką warstwę chmur. Pozwala to na efektywną pracę kolektorów również w dni pochmurne.
Na polskim rynku dostępne są dwa rodzaje kolektorów rurowych: z bezpośrednim przepływem czynnika roboczego lub z rurką ciepła. Kolektor próżniowy rurowy z bezpośrednim przepływem czynnika roboczego ma wbudowane kilka lub kilkanaście rur szklanych. W każdej z nich jest próżnia, przez co straty ciepła do otoczenia są znacznie mniejsze niż w kolektorach płaskich, oznacza to, większą ich efektywność. W każdą rurę próżniową wbudowany jest absorber i rurka, w której nagrzewa się czynnik roboczy. Wewnątrz rur mogą znajdować się specjalne lustra ukierunkowujące promienie słońca na absorber. Technologia ta pozwala na jeszcze skuteczniejsze wykorzystywanie energii słonecznej. Rurki ciepła są bardziej zaawansowanym technologicznie rozwiązaniem. Kolektory te mają najwyższą sprawność ze wszystkich dostępnych typów. Sprawdzają się szczególnie zimą i w pochmurne dni, gdy dominuje promieniowanie rozproszone. Dla jednego mieszkańca potrzeba 1-1,5 m² powierzchni kolektora płaskiego, wykorzystywanego do ogrzewania c.w.u. Zatem czteroosobowa rodzina potrzebuje zestaw o powierzchni 4-6 m².
Zamiast kolektora płaskiego można zamontować kolektor rurowy, wystarczy 0,6-0,8 m² takiego kolektora na osobę, czyli 2,4-3,2 m² dla czteroosobowej rodziny. W przypadku instalacji solarnej współpracującej z instalacją c.o. przyjmuje się, że kolektory ogrzeją maksimum 30% wody na cele c.o.
Ciepło wytworzone przez kolektor trzeba gdzieś zmagazynować. Wobec tego niezbędnym elementem instalacji solarnej jest zasobnik, w którym gromadzona jest gorąca woda. Stamtąd jest ona pobierana do użytku domowego. Zasobnik powinien mieć pojemność kilkuset litrów, więc wystarczającą na 1,5-3 dniowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę. Rodzina czteroosobowa zużywająca średnio 200 l wody na dobę powinna zaopatrzyć się w zbiornik o pojemności 300-600 l.
W kolektorze nie stosuje się bezpośredniego przepływu podgrzewanej wody, ale zbiornik z wbudowaną wężownicą, którą płynie gorąca woda z kolektora. Zaś woda na drodze kolektor-zbiornik krąży w obiegu zamkniętym wymuszonym przez pompę cyrkulacyjną. Dzięki temu możliwa jest współpraca kotła jako podstawowego źródła ciepła z kolektorem słonecznym, który tylko wspomaga system ogrzewania wody.
Jeżeli promieniowanie słoneczne jest zbyt słabe, układ sterowania włącza dodatkowe podgrzewanie wody, np. kocioł na dowolne paliwo. Obniża to koszty ogrzewania poprzez zmniejszenie zużycia paliwa, zapewnia również komfort korzystania z ciepłej wody, niezależnie od liczby słonecznych dni. Tańszym rozwiązaniem może okazać się zasobnik z wbudowaną grzałką elektryczną, która dogrzeje wodę w razie potrzeby.
Najtańszym istniejącym obecnie rozwiązaniem jest wykorzystanie kolektora w instalacji grawitacyjnej. Nie trzeba w niej instalować pompy obiegowej, gdyż ogrzana woda sama płynie do góry. Jeżeli zbiornik zamontujemy powyżej kolektora, zbędne do tego będą dodatkowe urządzenia. Takie rozwiązanie jest idealne w domkach letniskowych lub w prostych instalacjach z podgrzewaczem elektrycznym.
Kolejnym sposobem jest zastosowanie pompy cyrkulacyjnej, tłoczącej zimną wodę do kolektora. Rozwiązanie to jest bardziej elastyczne pod względem możliwości montażu kolektora i zbiornika na wodę względem siebie. Taka instalacja stosowana jest przede wszystkim w domach jednorodzinnych. Należy pamiętać, że woda, która przepływa przez kolektor musi spełniać wymogi stawiane wodzie pitnej i nie może zawierać zbyt dużo żelaza, które, osadzając się na ściankach rurek miedzianych w kolektorze, po pewnym czasie może zablokować przepływ wody przez kolektor. W takim przypadku należy również pamiętać o spuszczaniu wody z kolektora przed nadejściem zimy. Jeżeli planujemy korzystać z energii słonecznej przez cały rok, w obiegu kolektora musi krążyć czynnik niezamarzający, którym jest zazwyczaj roztwór glikolu. Ogrzewanie wody użytkowej odbywa się przez wymiennik, co powoduje niewielki spadek wydajności systemu oraz podwyższa to koszty instalacji.
W celu skoordynowania działania układu złożonego z kolektora i kotła lub grzałki elektrycznej musimy zastosować automatykę. W przypadku braku ciepła z kolektora będzie włączane drugie źródło ciepła.
Kolektor pracuje najefektywniej, jeżeli jest skierowany na południe. Może być on odchylony o 10° w kierunku wschodnim lub zachodnim, ale im większe odchylenie, tym mniejsza sprawność pracy kolektora. Montujemy go w miejscu niezacienionym przez drzewa i budynek. W przeciwnym razie będzie mało wydajny.
Koszt systemu solarnego to nie tylko sam kolektor, ale również pozostałe elementy:
Poza nimi potrzebujemy jeszcze:
- dużego zbiornika wody;
- konstrukcji wsporczej do montażu na dachu lub na gruncie;
- naczynia zbiorczego obiegu solarnego;
- naczynia zbiorczego c.w.u.;
- zaworów bezpieczeństwa;
- pompy;
- sterownika;
- rur, otulin, złączek, przepustów przez pokrycie (np. tzw. dachówek solarnych),
Dodatkowe elementy znacznie wpływają na cenę, np. na zasobnik z dwoma wężownicami wydamy przynajmniej 1500 zł. Dlatego niska cena samych kolektorów jest zwodnicza. Jeżeli potrzebujemy raczej typowej instalacji, najlepiej kupić wszystkie elementy sprzedawane jako firmowy komplet od jednego producenta. Wtedy nie musimy się martwić o dopasowanie komponentów. A wbrew pozorom nawet takie czynniki, jak wydajność pompy mają istotny wpływ na efektywną pracę systemu.
Dobrej jakości firmowy zestaw z 2 kolektorami płaskimi, zasobnikiem 200 l i niezbędnymi akcesoriami kupić możemy już za ok. 6000 zł (z VAT 23%). Kupując sprzęt razem z usługą montażu, możemy nieco zaoszczędzić, bo wtedy zapłacimy niższą stawkę VAT równą 8%. Do tego trzeba pamiętać o kosztach montażu. Wycenia się je indywidualnie, w zależności od poziomu skomplikowania prac. Zwykle należy się liczyć z wydatkiem przynajmniej 2000–3000 zł. Za bardziej rozbudowane instalacje, albo wykorzystujące kolektory próżniowe, zapłacimy już znacznie więcej. W układach z pompą cyrkulacyjną dochodzi jeszcze koszt energii elektrycznej do zasilania pompy.
Mimo, że koszty są dość wysokie to rozsądnie zaplanowany i eksploatowany system solarny może się opłacać, obniżając średnio o 70% koszty przygotowania c.w.u. Rozważając kwestię zakupu systemu należy przeanalizować wszystkie za i przeciw, a decydując się na rozwiązanie konkretnej firmy wziąć pod uwagę również dostępność serwisu, oraz koszty okresowych przeglądów.
Kolektory słoneczne to najtańszy eksploatacyjnie sposób na ciepłą wodę. Są przy tym przyjazne dla środowiska i nie wymagają obsługi. Sztuka polega na zoptymalizowaniu instalacji, żeby przy minimum nakładów dawała maksimum zysków i nie przysparzała kłopotów.
W ostatnich lata zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania znacznie spadło domy posiadają coraz lepsze ocieplenie, okna, wentylację z rekuperatorem. Jednak zużycie ciepłej wody i energii do jej podgrzewania pozostały takie same. Można je skutecznie obniżyć, decydując się na kolektory. Odpowiednio dobrany system solarny pozwala obniżyć zużycie energii na potrzeby c.w.u. o około połowę w skali roku. Dlatego o sięgnięciu po ciepło pochodzące od słońca powinni pomyśleć przede wszystkim użytkownicy kotłów na gaz płynny, olej opałowy oraz korzystający z energii elektrycznej.
Oszczędności będą większe, gdy mamy kocioł na paliwo stałe uruchamiany w sezonie, a latem dogrzewamy wodę prądem, żeby uniknąć kłopotliwego palenia. Energia elektryczna jest wszak przynajmniej 4 razy droższa od ciepła z węgla lub drewna. Wbrew pozorom, nawet eksploatując kocioł przez cały rok, możemy sporo zyskać, decydując się na kolektory. Dotyczy to przede wszystkim właścicieli kotłów z podajnikiem.
Poza sezonem grzewczym, działając tylko na potrzeby c.w.u., taki kocioł pracuje z bardzo niską sprawnością, więcej ciepła pochłania na samo podtrzymanie żaru, niż podgrzanie wody. Sprawność jest zatem przynajmniej dwukrotnie gorsza. Faktyczna oszczędność energii jest więc znacznie wyższa od obliczanej na podstawie średniorocznej sprawności kotła. Kolektory są głównie efektywne w cieplejszej połowie roku.
Darmowe pozyskiwanie energii to jedno, a ograniczenie wytwarzania ciepła w budynku bezpośrednio wpływa na niższą emisję zanieczyszczeń do atmosfery, poprawiając lokalną jakość powietrza. Istotne jest również to że kolektory słoneczne mają najniższe obciążenie jeśli chodzi o ślad ekologiczny, co oznacza, że ich produkcja, i późniejsza utylizacja są bezpieczne dla środowiska naturalnego. Po zakładanym minimum 25-letnim okresie eksploatacji, materiały z którego został wykonany kolektor słoneczny można poddać recyklingowi. Kolektory zapewniają najniższe koszty wytwarzania ciepła nieosiągalne dla innych źródeł.
Podsumowując słońce wytwarza czystą i niewyczerpalną energię która dodatkowo jest bezpłatna, co istotne jest w poszukiwaniu oszczędności w domowym budżecie. Dynamiczne zmiany w budownictwie i wciąż rosnące wymagania i standardy używanych technologii wymuszają na nas korzystanie z alternatywnych rozwiązań. „Energia odnawialna to energia przyszłości”.