Kolektor słoneczny - budowa

Elementy kolektora: wskazówki dla przyszłego właściciela
Aby właściwie wybrać kolektor, należy dobrać jego wydajność zależnie od wielkości instalacji; nasłonecznienia (które jest zróżnicowane zależnie od regionu); kształtu, stopnia i kierunku nachylenia połaci dachowej. Jednakże szczegółowy wybór modelu powinna poprzedzić analiza pewnych cech kolektora, które wpływają na jego jakość, trwałość i wydajność.

Absorber: serce kolektora
Zadaniem kolektora jest pochłanianie (absorpcja) promieni słonecznych, których energia będzie wykorzystana do celów grzewczych. Kolektor powinien więc dobrze absorbować ciepło, a emitować je w jak najmniejszym stopniu. O tych „umiejętnościach” kolektorów decydują cechy absorbera - elementu, którego zadaniem jest skuteczne pochłanianie ciepła. Informują nas o tym dwa współczynniki:

• współczynnik absorpcji krótkofalowego promieniowania słonecznego. Powinien być on jak najbliższy wartości 1. W praktyce możemy spotkać kolektory, dla których wartość tego współczynnika wynosi 0,90, a nawet 0,95.
• Współczynnik emisji promieniowania. W paśmie fal długich powinien być jak najniższy (bliski 0). Można spotkać kolektory, dla których współczynnik ten wynosi 0,1.

Absorber może być wykonany z miedzi, mosiądzu lub aluminium. Praktyka pokazuje, że najlepsza jest miedź, ze względu na własności przewodzące. Zapewnia nie tylko wysoką sprawność kolektora, ale też (dzięki wyrównanej temperaturze na całej płycie) maksymalne wykorzystanie energii cieplnej. Aby poprawić pochłanianie promieniowania, absorber pokrywa się odpowiednią powłoką selektywną, która zwiększa absorpcję promieni słonecznych, zaś obniża emisję. Powłoki selektywne „starszej generacji” wykonuje się z czarnego chromu, bardziej nowoczesne - z tlenków tytanu.

Pokrycie absorbera powłoką selektywną zwiększa wydajność kolektora nawet o 50%, co pokazuje, jak ważne jest ograniczenie emisji promieniowania. Dodatkowo kolektor zabezpieczony jest przed stratami ciepła za pomocą odpowiedniej izolacji. Stosuje się wełnę mineralną lub poliuretan. Wybierając między modelami kolektorów, warto zwrócić uwagę na grubość warstwy izolacyjnej. W dobrych kolektorach warstwa ta ma grubość co najmniej 50 mm. Można spotkać rozwiązania, w których grubość izolacji wynosi 60 mm. 
Druga sprawa związana z absorberem to ukształtowanie kanałów, którymi przepływa czynnik grzewczy. Powinniśmy zwrócić uwagę na kształt - najlepsza (w dobrych kolektorach jest to już standard) forma to wężownica (fragment pokazany na zdjęciu poniżej).

Dzięki takiemu kształtowi przepływ czynnika jest równomierny. Należy też zwrócić uwagę na powierzchnię czynną absorbera. Nie jest to powierzchnia kolektora! Powierzchnia czynna jest to rzeczywista powierzchnia, za pomocą której absorber pochłania światło - powinna więc być jak największa - dobrze jeśli wynosi 2 m².

Szyba solarna i rama
Na dobre pochłanianie promieniowania wielki wpływ ma szyba kolektora. Powinna być jak najbardziej przezroczysta, a więc wykonana z materiału o niskiej zawartości tlenków żelaza. Jednocześnie szyba powinna być odporna na warunki zewnętrzne, a przede wszystkim na uszkodzenia mechaniczne. Dlatego należy wybrać szybę hartowaną, o odpowiedniej grubość (w nowoczesnych kolektorach ponad 3 mm) i odporną na gradobicie. Bardzo ważnym czynnikiem jest sprawność optyczna kolektora. Sprawność zależy także od rodzaju kolektora: dla kolektorów próżniowych jest mniejsza niż dla kolektorów płaskich. W nowoczesnych kolektorach sprawność optyczna przekracza 80%.

Do zamocowania konstrukcji służy odpowiednia stabilna rama aluminiowa. Między ramą a szybą znajduje się uszczelka. Powinna być wykonana z trwałego, odpornego na starzenie i ścieranie tworzywa sztucznego o wysokiej wytrzymałości mechanicznej - takiego jak EPDM.

Mocowanie i podłączenie
Kolektor może być przystosowany do montażu pionowego lub poziomego. Należy zwrócić uwagę, do jakiego montażu przystosowany jest wybrany model. Przykładowo, kolektor o oznaczeniu F3 to model w wykonaniu poziomym, a kolektor o oznaczeniu F3-Q - w wykonaniu pionowym. Dla każdego modelu określony jest też zakres kątów - w zakresie tym powinien mieścić się kąt, pod jakim nachylona jest połać dachowa.
Kolektory powinny być wyposażone w wysokiej jakości króćce (śrubunki) przyłączeniowe (na zdjęciu). Zaletą nowoczesnych kolektorów jest wyposażenie śrubunków w kompensatory rozszerzalnościowe. Jakie jest ich przeznaczenie?  Otóż wszelkie materiały rozszerzają się pod wpływem rosnącej temperatury. Jeśli są zamocowane "na sztywno", w materiale powstają napięcia, które wpływają niszcząco na jego jakość i trwałość. Dlatego połączenia powinny mieć zapewnioną możliwość pracy - powinny być ruchome; jednocześnie ich praca nie może wpływać negatywnie na dokładność i szczelność połączeń. Kompensatory zapewniają więc ruchy cieplne. Dzięki temu zwiększa się trwałość instalacji.

Kolektor zależny od potrzeb
W naszej strefie klimatycznej system grzewczy oparty wyłącznie na kolektorach słonecznych byłby niewystarczający do pokrycia zapotrzebowania na ciepło do przygotowania ciepłej wody i ogrzewania pomieszczeń. Dlatego instalacja solarna musi być zawsze połączona z innym źródłem ciepła. Zastosowanie kolektora pozwala na zaspokojenie (w skali roku) ok. 60% zapotrzebowania na ciepło do podgrzewu c.w.u. oraz ok. 20% zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania. Decydującym czynnikiem wyboru typu i ilości kolektorów jest ilość energii słonecznej, jaka jest do dyspozycji w danym regionie. Liczba kolektorów zależy też od innych wskaźników związanych z nachyleniem dachu oraz od jego ustawienia względem stron świata.
Najlepsze "pod kolektor" są dachy o nachyleniu 35-45°, ustawione na południe. Niezależnie od nachylenia dachu najlepsza jest lokalizacja południowa.
Do oszacowania ilości kolektorów potrzebnych dla konkretnego domu stosuje się także wskaźnik zużycia ciepłej wody. Przyjmuje się, że zużyciu średniemu odpowiada  wskaźnik 1,0. Dla zużycia mniejszego przyjmuje się wskaźnik 0,6 lub 0,8; a dla zużycia wysokiego - 1,2 lub 1,5.

Policzyć sobie kolektor
Obliczmy przykładowo ilość kolektorów dla dwóch podobnych rodzin: obie liczą 4 osoby i zużywają dość dużo ciepłej wody (wskaźnik zużycia wody wyniesie 1,2). Zakładamy, że chcą za pomocą kolektorów pokryć 60% rocznego zapotrzebowania na c.w.u.
Rodzina A mieszka w pobliżu Lublina i wybudowała dom o dachu nachylonym pod kątem 45°. Połać, na której będą umieszczone kolektory, skierowana jest na południe. Zatem wskaźnik związany z nasłonecznieniem wynosi 0,9; zaś wskaźnik związany z nachyleniem i kierunkiem dachu 1,0.
Rodzina B mieszka w Gdańsku i chce wyposażyć w "solary" swój stary dom. Połać dachowa nachylona jest pod kątem 75° i skierowana na wschód. Dla rodziny B wskaźnik związany z nasłonecznieniem wyniesie 1,2 zaś wskaźnik związany z nachyleniem i kierunkiem dachu: 1,8.
Aby obliczyć ilość kolektorów potrzebną dla każdej z tych rodzin, należy skorzystać ze wzoru:
ilość = 0,4 x wskaźnik(nasłonecznienie) x wskaźnik(dach) x wskaźnik(zużycie wody) x ilość osób.

Obliczenia:
Ilość dla rodziny A = 0,4 x 0,9 x 1,0 x 1,2 x 4 = 1,728.
Ilość dla rodziny B = 0,4 x 1,2 x 1,8 x 1,2 x 4 = 5,184.

Rodzina A potrzebuje więc dwóch kolektorów, rodzina B powinna użyć sześciu kolektorów (pięć kolektorów mogłoby nie spełnić zapotrzebowania tej rodziny).
Prezentowane sytuacje są oczywiście fikcyjne, a w dodatku skrajne - jedna z nich jest idealna dla montażu kolektorów, druga - najmniej korzystna. Pokazuje, jakie znaczenie ma zarówno region, jak i nachylenie i lokalizacja dachu. Rozpatrzmy dwie sytuacje. Gdyby rodzina z Gdańska instalowała kolektory na dachu nachylonym pod kątem 45° na połaci skierowanej na południe (sytuacja idealna), potrzebne byłyby trzy urządzenia. Gdyby rodzina z Lublina zainstalowała kolektory na dachu nachylonym pod kątem 75° i skierowanym na wschód potrzebowałaby czterech urządzeń.

Te proste przykłady pokazują, że liczy się zarówno region, w którym mieszkamy, jak i nachylenie
i kierunek połaci dachowej. Jeśli przygotowując się do budowy domu planujemy uzupełnić instalację grzewczą o kolektory, warto o tym pamiętać. Już na etapie lokalizacji domu warto zaplanować korzystne umieszczenie kolektorów oraz rozważyć nachylenie dachu także i pod tym kątem. Wiedza o tym, ile kolektorów będzie potrzebnych i gdzie mają być zainstalowane pomoże właściwie zaprojektować dach. Nie bez znaczenia pozostaje tutaj fakt, że „pusty" (bez czynnika grzewczego) kolektor próżniowy waży ok. 20 kg, a płaski – nawet 40 kg. Przy projektowaniu lub budowie domu warto wziąć pod uwagę, że dach będzie musiał utrzymać takie obciążenie.

Dobrze zaprojektowana i właściwie dobrana bateria kolektorów pozwoli na oszczędność ok. 75% paliwa tradycyjnego (olej, gaz). Warunkiem jednak jest, aby poszczególne jej komponenty były wysokiej jakości, z wymaganymi certyfikatami (Solar Keymark).