Mity i fakty kolektorów słonecznych

Historia zna dziwne wynalazki. Do takich należą lokomotywy parowe z kotłem zasłaniającym maszyniście widoczność i tradycyjne telefony, powodujące konwulsje u osób robiących notatki w trakcie rozmowy. Do tej kategorii należą też kolektory słoneczne.

Gwoli wprowadzenia dla czytelnika, który niekoniecznie musi być biegły w terminologii energii odnawialnej, kolektory słoneczne służą do wykorzystywania ciepła słonecznego, głównie do uzyskiwania gorącej wody. Nie należy ich mylić z bateriami słonecznymi, zwanymi inaczej fotowoltaicznymi, które wytwarzają energię elektryczną. Współcześnie na rynku dominują dwa typy kolektorów słonecznych. Są to kolektory płaskie i kolektory próżniowe. Oba rodzaje kolektorów są dziwnymi wynalazkami.

Rys 1. Kolektor płaski.

Rys. 2. Kolektor próżniowy

Rozważmy najpierw kolektor płaski. Otóż składa się on z arkusza blachy – absorbera i przymocowanych do niego rurek z cieczą służącą do wymiany ciepła. Absorber pokryty jest warstwą selektywną wspomagającą absorpcję energii słonecznej. Dziwność pomysłu kolektora płaskiego polega na jego niepotrzebnej komplikacji i nieefektywności. Dla każdego inżyniera jest rzeczą oczywistą, że podczas przesyłania energii mają miejsce straty. Straty te są zwykle proporcjonalne do drogi lub czasu transferu energii. Tymczasem w kolektorze płaskim właśnie takie zjawisko ma miejsce. Energia promieniowania słonecznego jest zbierana przez absorber i przekazywana do rurek z cieczą. Na szerokości 1 m rurek tych u typowego producenta jest ok. jedenastu.  Aby ciepło mogło być przekazywane do rurek, na absorberze konieczny jest gradient temperatury, to znaczy im dalej od rurek, tym wyższa temperatura absorbera. Im zaś wyższa temperatura, tym więcej ciepła jest wypromieniowane lub tracone przez przewodzenie.

Jak wiemy, każde ciało zależnie od swojej temperatury, jest źródłem lub odbiornikiem promieniowania cieplnego. Dla ciał bez powierzchni selektywnej promieniowanie to jest opisane prawem Plancka definiującym rozkład energii emisji ciała czarnego w zależności od długości fali. Dla absorbera z pokryciem selektywnym rozkład ten otrzymuje się mnożąc wzór Plancka przez charakterystykę danego pokrycia selektywnego. Sumaryczną moc emisji uzyskuje się poprzez scałkowanie rozkładu promieniowania po długości fali. Operację tę można wykonać w stosunkowo prosty sposób za pomocą arkusza kalkulacyjnego. Wynik obliczeń potwierdzi intuicyjną wiedzę, że im cieplejsze dane ciało, tym więcej promieniuje (traci energii) a w normalnych warunkach pracy kolektora płaskiego, absorber musi być istotnie cieplejszy od rurek z cieczą. I to właśnie dla zminimalizowania strat przez promieniowanie stosowane są powłoki selektywne silnie tłumiące emisję w podczerwieni. Promieniowanie to nie jest jednak wyeliminowane całkowicie i stanowi istotny składnik strat kolektora. Poza emisją, bardzo zbliżone są straty cieplne przez przewodzenie, mimo izolacji termicznej dna i boków kolektora.

Charakterystyczne jest, że sprawność kolektorów płaskich można poprawić poprzez zwiększenie ilości rurek, co z kolei powoduje lepszy odbiór ciepła do absorbera, obniżenie jego temperatury i oczywiście obniżenie strat. Wyobraźmy sobie, że rurki są tak gęsto upakowane, że przylegają do siebie. Sprawność będzie wtedy największa. Z kolei kolektor z upakowanymi rurkami można zastąpić przez płaskie cienkie pudło, pokryte warstwą selektywną. 

Płaskie pudło wypełnione cieczą jest jednak niepraktyczne, gdyż uległoby deformacji pod wpływem ciśnienia cieczy, szczególnie w wyższej temperaturze. Poza tym w kolektorze takim zamocowanym na spadzistym dachu, ciepła ciecz przemieściłaby się do góry powodując nierównomierny rozkład temperatury. Można pokazać matematycznie, że powoduje to spadek sprawności kolektora do kilku procent w porównaniu z rozkładem równomiernym. Z tego powodu, jak również ze względu na mechanikę kolektora, zaproponowałem zrobienie systemu poziomych kanałów, w których będzie krążyła ciecz – wymiennik ciepła. Kanały te będą stanowiły przeszkodę w grawitacyjnym podnoszeniu się ciepłej cieczy i w ten sposób wymuszą równomierny rozkład temperatury. Dodatkowo nadają one sztywność konstrukcji absorbera i zapobiegają wybrzuszaniu się wierzchu pudła. Do takiego absorbera należy dodać powierzchnię selektywną, szkło i izolację termiczną, tak jak w tradycyjnym kolektorze płaskim. Proste obliczenia, na poziomie klasy maturalnej, potwierdzają intuicyjne odczucie o wyższej sprawności takiego rozwiązania.

Pod względem praktycznym, opisane kanały można wytłoczyć z blachy prasą o odpowiedniej sile nacisku a następnie zgrzać liniowo obie części dolną i górną absorbera-pudła. Jako materiał kolektora proponowana jest stal nierdzewna 0,5mm do 0,7mm ze względu trwałość, łatwość wytłaczania i zgrzewania. Stal nierdzewna daje się też pokryć galwanicznie czarnym chromem, który jest znany z dobrych właściwości selektywnych. Idea kolektora – pudła przedstawiona jest na Rys.3.

Rys 3. Zasada działania kolektora płaskiego z bezpośrednim grzaniem.

Wcześniej wyraziłem się sceptycznie o kolektorach próżniowych. Ich konstrukcja jest co najmniej szokująca z punktu widzenia fizyki i zdrowego rozsądku. Są one zbudowane z wąskich pasków absorbera z rurkami miedzianymi wewnątrz próżniowych rur szklanych. Absorber taki analogicznie jak w kolektorze płaskim, ma również straty w podczerwieni. Jak bowiem wiemy próżnia nie stanowi bariery dla promieniowania, inaczej promieniowanie słoneczne nie dochodziłoby do Ziemi. Dlatego sprawność kolektora próżniowego spada z temperaturą. Poza tym absorber takiego kolektora nie wypełnia całych rur a i między szklanymi rurami są pewne odstępy. Jak wiadomo, ilość pochłanianej energii słonecznej jest proporcjonalna do powierzchni kolektora. W efekcie kolektor próżniowy jest jak rzadkie sito, przez które bezużytecznie przechodzi znaczna ilość promieniowania słonecznego.

Sprawdziłem w Internecie. Kolektor próżniowy jednego z najbardziej znanych producentów w Polsce ma zaledwie 55.6% powierzchni czynnej w stosunku do powierzchni ogólnej. Jest to typowa wartość. Informacji tej nie widać wprost w arkuszach danych kolektora a sprawność podawana jest nie dla rzeczywistej powierzchni (brutto) ale dla powierzchni czynnej, której jest znacznie mniej. Co więcej, sprawność 78% podawana jest dla temperatury pracy równej temperaturze otoczenia (20ºC), gdy straty są minimalne. W rzeczywistości kolektor użytecznie pracuje w temperaturze 50ºC do 80ºC, a wtedy jego sprawność wynosi już odpowiednio 70.8% i 61.6%. Pomnóżmy to przez procent powierzchni czynnej i otrzymamy 39.4% oraz 34.2%. Są to rzeczywiste sprawności kolektorów próżniowych!

Dla porównania wziąłem sprawozdanie z testów kolektora płaskiego z autoryzowanego laboratorium. Jego powierzchnia czynna wyniosła 91.6% a sprawność netto liczona dla absorbera była 62.6% i 44.3% odpowiednio w temperaturze 50ºC i 80ºC. Rzeczywista sprawność, liczona według powierzchni brutto, wyniesie zatem 57.4% oraz 40.5%. Są to wyniki zauważalnie lepsze od kolektora próżniowego, chociaż nie tak dobre jak się podaje w arkuszach danych. Kolektory płaskie są też znacznie tańsze. Ktoś zatem robi z nas żarty.

Przeanalizujmy teraz działanie zaproponowanego wcześniej kolektora płaskiego w postaci cienkiego pudła.

Źródłem energii pochłanianej przez kolektor jest promieniowanie słoneczne o mocy wprost proporcjonalnej do powierzchni. Dla pomiarów laboratoryjnych używa się znormalizowanej wielkości 800W/m². Sprawność kolektora jest obniżana poprzez straty cieplne wskutek przewodzenia oraz promieniowania w podczerwieni. Moc pochłoniętego promieniowania można policzyć całkując numerycznie rozkład promieniowania opisany wspomnianym na wstępie wzorem Plancka dla ciała czarnego z uwzględnieniem spektralnej charakterystyki powierzchni selektywnej.

Poza stratami na promieniowanie, mamy straty na transmisję w szkle oraz na przewodzenie cieplne poprzez izolację termiczną dna i boków oraz przez warstwę powietrza nad absorberem. Wartości współczynników przewodzenia są ogólnie dostępne, chociażby z Internetu. Całość obliczeń jest przedstawiona w załączniku. Są to obliczenia wykonane w Excel’u i łatwe do zweryfikowania. Wyniki są następujące: sprawność netto kolektora w temperaturach 50ºC i 80º wynosi odpowiednio 73.6% i 66.4%. Ponieważ konstrukcja obudowy kolektora – pudła jest praktycznie taka sama jak kolektora płaskiego, można założyć, że proporcja powierzchni czynnej wynosi również 91.6%. Otrzymujemy zatem rzeczywiste sprawności (brutto) proponowanego kolektora w temperaturze 50ºC i 80ºC odpowiednio 67.4% i 60.8%.

              Dla łatwości porównania rzeczywiste sprawności przytaczam w tabelach i wykresach poniżej. Sprawności kolektora próżniowego dla temperatury różnej od otoczenia zaczerpnięte zostały z ksiązki „Kolektory Słoneczne” (Wiśniewski, Gołębiowski, Gryciuk, Kurowski, Więcka) rys. 7.4, str. 160.

 Tabela 1. Porównanie sprawności netto kolektorów.

Tabela 2. Porównanie sprawności brutto kolektorów

a)      

b)

Rys. 4. Porównanie charakterystyk sprawności kolektorów słonecznych.

             Szczególnie ciekawe są sprawności brutto, czyli rzeczywiste uzyski z powierzchni dachu. Obnażają one prawdę o kolektorach próżniowych i pokazują jak jesteśmy nabijani w butelkę.

              Proponowany kolektor będzie zawierał więcej płynu – wymiennika ciepła, niż tradycyjny kolektor płaski i będzie to miało wpływ na bezwładność cieplną. Dlatego, aby umożliwić jego szybkie nagrzewanie się, grubość pudła powinna być możliwie mała, ograniczona w dół jedynie możliwością cyrkulacji płynu.

              Z ciekawości przeprowadziłem też obliczenia sprawności mojego kolektora z izolacją dwutlenkiem węgla zamiast wełny mineralnej. Dało to dodatkowo kilka procent poprawy.

              Poza typowym zastosowaniem do wytwarzania ciepłej wody i ewentualnie ogrzewania pomieszczeń, kolektor tego typu może mieć dodatkowe zastosowania ze względu na lepszą wydajność i trwałość. Jego wyższość powinna być szczególnie widoczna przy dobrym nasłonecznieniu, co sugeruje na przykład wykorzystanie do systemów klimatyzacji z użyciem kolektorów słonecznych. Wysoka sprawność oraz trwałość sugeruje też jego przydatność do systemów odsalania wody morskiej na przykład na Bliskim Wschodzie.

              Usiłowałem zainteresować pomysłem duże firmy narzekające na brak zamówień i stojące na skraju bankructwa oraz instytucje naukowe. Zwykle podchodzą do tego jak kot do gorącego mleka. Czasem jestem wpuszczany w kanał żeby przygotować dodatkowe opracowania itd. po czym zalega cisza. Z rozmów z innymi osobami usiłującymi zrealizować nowatorskie pomysły, wiem, że są traktowane podobnie. Zaczynam nabierać przekonania, że nie jest to przypadek.

 Bogdan Goczyński

bgoczynski@yahoo.com.au

Załącznik z obliczeniami sprawności kolektora.

Autor zamieszczonego tekstu i patentu kolektora jest inżynierem, absolwentem Wydziału Elektroniki Politechniki Warszawskiej