Kolektory słoneczne: to warto wiedzieć!

Ogrzewanie domu, podgrzewanie ciepłej wody użytkowej oraz energia elektryczna to niebagatelne wydatki w każdym gospodarstwie domowym. Aby zmniejszyć rachunki, a dodatkowo sprawić, by budynek był przyjazny środowisku, warto postawić na rozwiązania oparte o odnawialne źródła energii. Słońce jest jednym ze źródeł, które możemy wykorzystać zarówno do ogrzewania domu, przygotowania c.w.u., jak i produkcji energii elektrycznej. Wystarczy zainstalować odpowiednie panele słoneczne i fotowoltaiczne.

Kolektory (panele) słoneczne

Kolektory słoneczne służą do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Dodatkowo mogą być wykorzystywane jako wspomaganie wodnego ogrzewania budynku. Kolektory słoneczne zamieniają energię słoneczną na energię cieplną nośnika ciepła, którym może być ciecz (np. glikol) lub gaz (powietrze). Na rynku dostępne są dwa podstawowe rodzaje kolektorów słonecznych: płaskie i próżniowe rurowe. Ze względu na trudności technologiczne rzadko spotyka się płaskie kolektory próżniowe.

Właściciele domów najczęściej decydują się na montaż kolektorów płaskich. Promieniowanie słoneczne jest w nich przetwarzane przez moduł absorbera składającego się z sieci rurek miedzianych bądź aluminiowych przytwierdzonych do cienkiej blachy miedzianej lub aluminiowej pokrytej wysoko selektywną powłoką. Kolektory są zabezpieczone specjalną szybą solarną o wysokiej przepuszczalności promieniowania słonecznego i obudową, zwykle wykonaną z profili aluminiowych. Absorber pochłania ciepło pochodzące ze słońca i przekazuje je cieczy, która płynie w kolektorze (najczęściej jest to glikol). Nieodłącznym elementem systemu solarnego służącego do podgrzania ciepłej wody jest podgrzewacz solarny. Ciepło z kolektora jest przekazywane do wymiennika w podgrzewaczu, który magazynuje podgrzaną w ten sposób wodę.

Przydatną funkcją kolektorów płaskich jest tzw. schładzanie rewersyjne, czyli możliwość odprowadzania nadmiaru ciepła przez obudowę, np. w przypadku dłuższej nieobecności domowników, gdy zakumulowane w wodzie ciepło nie jest wykorzystywane.

W ofercie producentów są również dostępne kolektory próżniowo-rurowe. Zbudowane są z ustawionych względem siebie równolegle szklanych rur o średnicy 5-10 cm, połączonych z absorberem. W rurach zostaje wytworzona próżnia, dzięki której straty ciepła z takich kolektorów są mniejsze niż w przypadku kolektorów płaskich. Rozwiązania próżniowo-rurowe są jednak znacznie droższe. Zwykle wybiera się je wtedy, gdy nie ma możliwości, aby zainstalować kolektor płaski w odpowiednim położeniu.

Właściwy montaż i kąt nachylenia

Podstawowym warunkiem uzyskania efektywnej pracy instalacji solarnej jest właściwe nasłonecznienie kolektorów słonecznych. Idealnym rozwiązaniem byłoby zapewnienie zawsze prostopadłego kąta padania promieniowania słonecznego na kolektor. Wówczas przepuszczalność promieniowania przez szybę, a także przyjmowanie promieniowania przez absorber byłaby na najwyższym poziomie. Jednak zmienne ustawianie kolektora względem Słońca stosuje się bardzo rzadko – głównie ze względu na dodatkowe koszty instalacji stelaży i ich serwisowania. Zwłaszcza, że kolektory słoneczne charakteryzują się szerokim zakresem pracy. I tak np., szyba kolektora płaskiego (najwyższej klasy przepuszczalności) przepuszcza większość (około 90%) promieniowania nawet przy znacznym odchyleniu (60º) od kierunku prostopadłego.

Nachylenie kolektora słonecznego do poziomu zależy głównie od pory roku. Pionowe ustawienie panelu w zimie pozwala uzyskiwać najwięcej ciepła – słońce porusza się wówczas nisko nad horyzontem. Jest to jednak ustawienie bardzo niekorzystne w lecie. Wtedy kąt padania promieni słonecznych na pionowo ustawiony kolektor jest ostry. Badania, porównujące miesięczne nasłonecznienie, wykazały, że najkorzystniej jest ustawić kolektor pod kątem 45º lub nieco niższym. Zalecane nachylenie kolektorów słonecznych uzależnione jest także od przeznaczenia instalacji solarnej. Najczęściej kolektory przewidziane są do całorocznego podgrzewania ciepłej wody użytkowej, wówczas nachylenie kolektorów powinno wynosić od 30 do 45º. W instalacjach przewidzianych do dodatkowego wspomagania ogrzewania CO, zaleca się instalować kolektory z wyższym nachyleniem. W ten sposób poprawia się warunki nasłonecznienia w okresie jesienno-zimowym, a jednocześnie obniża nasłonecznienie latem, zmniejszając możliwość występowania przegrzewów.

Kolejną kwestią, którą należy wziąć pod uwagę instalując kolektory jest ich umiejscowienie na dachu. Odległość kolektorów słonecznych od krawędzi dachu powinna wynosić minimum metr, ze względu na zwiększone siły oddziaływania wiatru w tych obszarach dachu. Wskazana jest także zabudowa kolektorów w górnej części połaci dachu, aby nie dopuszczać do powstawania obciążeń przez zsuwający się śnieg. Dla ochrony przed naporem śniegu można również stosować barierki przeciwśnieżne.

Panele fotowoltaiczne

Efekt PV, czy też efekt fotowoltaiczny, to zjawisko polegające na wytworzeniu energii elektrycznej między dwoma elementami wykonanych z podobnego materiału w wyniku bezpośredniego działania fotonów. Właśnie w ten sposób działają ogniwa fotowoltaiczne przetwarzając energię słoneczną na elektryczną.

Struktura ogniwa fotowoltaicznego to dwie warstwy krzemu z różnymi domieszkami, między którymi znajduje się warstwa graniczna. W górnej warstwie zwróconej w stronę słońca znajduje się nadmiar elektronów, w dolnej ich niedobór – w efekcie w warstwie granicznej powstaje pole elektryczne rozdzielające oba obszary naładowania.

Przy wyborze paneli fotowoltaicznych stosowanych w mikroinstalacjach nie liczy się tylko potencjalna ilość wyprodukowanej energii, wyrażona procentowo w sprawności nominalnej, ale szczególne znaczenie ma podwyższona sprawność jego modułów przy słabym oświetleniu. W polskim klimacie baterie słoneczne pracują o średnim natężeniu promieniowania słonecznego wynoszącego 990 W/m². Jednak jest to tylko średnia. W okresie zimowym rzadko będzie ono przekraczać 300 W/m². Z tego powodu ważne jest, aby efektywna praca baterii została zachowana nawet w słabych warunkach słonecznych. Dlatego też należy pamiętać, że moduły z ogniwami polikrystalicznymi (wykonanymi z wykrystilizowanego krzemu) pomimo, że osiągają słabszą sprawność niż monokrystaliczne w warunkach STC (Standard Test Condition) to mogą wydajniej pracować w warunkach większego zachmurzenia. Z kolei panele monokrystaliczne są najbardziej wydajne w dni słoneczne.

Warto też wybierać moduły o niskotemperaturowym wskaźniku mocy, co oznacza niski spadek wydajności przy wysokich temperaturach. Standardowo każdy stopień Celsjusza powyżej 25° oznacza spadek mocy o 0,38%. Oznacza to, że przy wzroście temperatury otoczenia do 80°C obniżenie mocy może sięgną ponad 20% w stosunku do szczytowej mocy nominalnej modułu. Jest to istotne w przypadku fotowoltaicznych instalacji dachowych, które nie zawsze są właściwie wentylowane. Przy wyborze "baterii słonecznych" o modułach dostarczających mocy szczytowej sięgającej 250-260 Wp należy też sprawdzić czy będą one efektywnie współpracowały z falownikiem (inwerterem), zamieniającym wyprodukowany prąd stały w zmienny.