Kolektory słoneczne – jak działają i czy warto je zamontować?

Słońce dostarcza Ziemi ogromnych ilości energii, którą można wykorzystać nie tylko do produkcji prądu, ale również do podgrzewania wody. Do tego drugiego celu służą kolektory słoneczne, które zamieniają promieniowanie słoneczne bezpośrednio w energię cieplną. Choć z wyglądu przypominają panele fotowoltaiczne, działają na zupełnie innej zasadzie. Fotowoltaika produkuje energię elektryczną, natomiast kolektory wykorzystują ciepło promieniowania do ogrzewania wody. Jak dokładnie działają kolektory słoneczne i kiedy ich montaż ma sens?

Artykuł w pigułce

• Kolektory słoneczne służą przede wszystkim do podgrzewania wody, a nie do produkcji energii elektrycznej.
• Instalacja wykorzystuje promieniowanie słoneczne do ogrzewania płynu krążącego w kolektorach.
• Podgrzany płyn przekazuje ciepło wodzie znajdującej się w zasobniku.
• Kolektory mogą wspierać przygotowanie ciepłej wody użytkowej oraz podgrzewanie wody w basenie.
• Najczęściej stosuje się kolektory płaskie oraz próżniowe.
• W odpowiednio dobranej instalacji energia słoneczna może pokrywać znaczną część rocznego zapotrzebowania na ciepłą wodę.
• Kolektory słoneczne i panele fotowoltaiczne nie są tym samym rozwiązaniem, choć mogą ze sobą współpracować.

Panele fotowoltaiczne a kolektory słoneczne

Panele fotowoltaiczne i kolektory słoneczne często są ze sobą mylone. Nic dziwnego – oba rozwiązania mogą być montowane na dachach i wykorzystują energię promieniowania słonecznego. Na tym podobieństwa właściwie się kończą. Najważniejsza różnica dotyczy tego, co instalacja produkuje.

Panele fotowoltaiczne przekształcają energię promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Prąd może następnie zasilać urządzenia w domu, zostać wykorzystany przez pompę ciepła, trafić do magazynu energii albo zostać przekazany do sieci. Kolektory słoneczne działają inaczej. Ich zadaniem jest przede wszystkim pozyskanie energii cieplnej i wykorzystanie jej do podgrzewania wody.

Nie oznacza to jednak, że trzeba wybierać między jednym a drugim rozwiązaniem. W niektórych gospodarstwach domowych oba systemy mogą się wzajemnie uzupełniać. Fotowoltaika dostarcza energii elektrycznej, a kolektory wykorzystują promieniowanie słoneczne bezpośrednio do produkcji ciepła.

Jak działają kolektory słoneczne?

Zasada działania kolektorów słonecznych jest stosunkowo prosta. W ich wnętrzu znajduje się absorber, którego zadaniem jest pochłanianie promieniowania słonecznego i zamiana go w ciepło. Absorber pokrywa się specjalną warstwą, która zwiększa zdolność pochłaniania energii i ogranicza jej straty.

Ciepło trafia następnie do płynu krążącego w instalacji. Najczęściej jest to roztwór glikolu, który dzięki swoim właściwościom może pracować również przy niskich temperaturach. Podgrzany płyn przepływa do zasobnika i przekazuje zgromadzoną energię wodzie.

Po oddaniu ciepła płyn schładza się i wraca do kolektora. Tam ponownie zostaje ogrzany przez promieniowanie słoneczne. Cały proces może powtarzać się wielokrotnie w ciągu dnia, dzięki czemu energia docierająca ze słońca jest stopniowo wykorzystywana do przygotowania ciepłej wody.

Istotnym elementem instalacji jest również zbiornik akumulacyjny. Pozwala on przechowywać ciepłą wodę i wykorzystać ją wtedy, gdy domownicy jej potrzebują. Dzięki temu energia pozyskana w ciągu dnia może być wykorzystana również później, kiedy słońce nie świeci już tak intensywnie.

Do czego wykorzystuje się kolektory słoneczne?

Najczęstszym zastosowaniem kolektorów jest przygotowanie ciepłej wody użytkowej, czyli CWU. Instalacja może ograniczyć ilość energii potrzebnej do podgrzania wody za pomocą podstawowego źródła ciepła. W okresach dobrego nasłonecznienia kolektory mogą dostarczać znaczną część potrzebnej energii.

Kolektory słoneczne mogą być również wykorzystywane do podgrzewania wody w basenie. To zastosowanie jest szczególnie interesujące ze względu na sezonowość. Największa wydajność kolektorów przypada na okres, w którym jednocześnie najczęściej korzystamy z przydomowego basenu.

W niektórych instalacjach energia z kolektorów może również wspierać ogrzewanie budynku. Takie rozwiązanie wymaga jednak odpowiedniego projektu całego systemu i właściwego dopasowania zapotrzebowania na ciepło. W praktyce kolektory najczęściej traktuje się jako uzupełnienie podstawowego źródła ogrzewania, a nie jego całkowity zamiennik.

Jak wybrać kolektory słoneczne na dach?

Przy planowaniu instalacji trzeba wziąć pod uwagę przede wszystkim położenie budynku, dostępne miejsce oraz sposób wykorzystania energii. Najlepsze warunki zapewnia odpowiednio nasłoneczniona powierzchnia skierowana w stronę południową, choć instalacje mogą być również montowane na połaciach skierowanych na wschód lub zachód.

W przypadku mniej korzystnego ustawienia dachu konieczne może być zastosowanie większej powierzchni kolektorów. Znaczenie ma także zacienienie. Drzewa, sąsiednie budynki czy inne elementy znajdujące się w pobliżu mogą ograniczać ilość promieniowania docierającego do absorberów.

Wielkość instalacji należy dopasować przede wszystkim do zapotrzebowania na ciepłą wodę. W przytoczonych założeniach przyjmuje się przeciętnie około 1–1,5 m² powierzchni kolektorów na jednego użytkownika. Ważna jest również odpowiednia pojemność zasobnika, która pozwala magazynować energię cieplną pozyskaną w ciągu dnia.

Nie warto więc dobierać liczby kolektorów wyłącznie na podstawie powierzchni dachu. Instalacja powinna uwzględniać liczbę domowników, sposób korzystania z ciepłej wody, dostępne źródło dodatkowego ogrzewania oraz ewentualne wykorzystanie energii do podgrzewania basenu.

Kolektory płaskie czy próżniowe?

Na rynku spotkamy przede wszystkim kolektory płaskie oraz kolektory próżniowe. Oba rozwiązania wykorzystują promieniowanie słoneczne do produkcji ciepła, ale różnią się konstrukcją i charakterystyką pracy.

Kolektory płaskie mają prostszą konstrukcję i zazwyczaj są tańszym rozwiązaniem. Ich powierzchnia absorbera znajduje się pod osłoną, która pomaga ograniczać straty ciepła. Ze względu na stosunkowo prostą budowę są popularnym rozwiązaniem w instalacjach przeznaczonych przede wszystkim do przygotowania ciepłej wody.

Kolektory próżniowe wykorzystują natomiast specjalne rury, w których ograniczono straty ciepła dzięki zastosowaniu próżni. Są droższe od kolektorów płaskich, ale mogą osiągać wyższą sprawność w określonych warunkach. Wybór konkretnego rozwiązania powinien więc zależeć nie tylko od ceny urządzenia, ale także od warunków montażowych i oczekiwanego sposobu wykorzystania instalacji.

Ile kolektorów słonecznych potrzebuje dom?

Nie istnieje jedna liczba kolektorów odpowiednia dla każdego budynku. Instalacja dla dwóch osób będzie miała inne wymagania niż system przygotowujący ciepłą wodę dla kilkuosobowej rodziny. Inaczej trzeba również zaprojektować system, który ma dodatkowo ogrzewać wodę w dużym basenie.

W przypadku instalacji przeznaczonej do CWU można przyjąć orientacyjnie około 1–1,5 m² powierzchni kolektorów na jednego użytkownika. To jednak jedynie punkt wyjścia do dalszych obliczeń. Znaczenie ma także pojemność zasobnika oraz sposób rozmieszczenia kolektorów.

Dobrze dobrana instalacja może według przedstawionych założeń pokrywać około 60 proc. rocznego zapotrzebowania na energię potrzebną do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Nie oznacza to jednak całkowitej rezygnacji z podstawowego źródła ciepła. Zimą oraz podczas dłuższych okresów pochmurnej pogody konieczne będzie wykorzystanie dodatkowego systemu.

Czy kolektory słoneczne działają zimą?

Kolektory słoneczne mogą pracować również zimą, ponieważ do działania nie potrzebują wysokiej temperatury powietrza. Kluczowe jest promieniowanie docierające do ich powierzchni. Zimą problemem jest przede wszystkim mniejsza ilość dostępnego promieniowania słonecznego oraz krótszy dzień, a nie sama niska temperatura.

W okresie jesienno-zimowym instalacja będzie więc zazwyczaj dostarczać mniej energii niż latem. Nie oznacza to jednak, że całkowicie przestaje działać. Przy odpowiednim nasłonecznieniu może nadal wspierać przygotowanie ciepłej wody, choć udział energii słonecznej w całkowitym zapotrzebowaniu będzie mniejszy.

Dlatego kolektory najczęściej projektuje się jako system wspomagający inne źródło ciepła. W miesiącach o dużym nasłonecznieniu ich udział w przygotowaniu CWU może być wysoki, natomiast zimą większą rolę przejmuje podstawowe źródło ogrzewania.

Kolektory słoneczne do basenu

Przydomowy basen jest jednym z zastosowań, w których kolektory słoneczne mogą być szczególnie interesujące. Wynika to przede wszystkim z sezonowości wykorzystania basenu. Największe zapotrzebowanie na podgrzewanie wody przypada właśnie wtedy, gdy promieniowanie słoneczne jest najbardziej intensywne.

Energia pozyskana przez kolektory może więc zostać wykorzystana bezpośrednio do podnoszenia temperatury wody. Pozwala to ograniczyć ilość energii dostarczanej przez inne źródła.

W przypadku basenu trzeba jednak odpowiednio zaprojektować całą instalację. Znaczenie ma między innymi jego powierzchnia, oczekiwana temperatura wody, sposób zabezpieczenia przed stratami ciepła oraz dostępna powierzchnia montażowa.

Jakie są zalety kolektorów słonecznych?

Największą zaletą kolektorów jest możliwość wykorzystania darmowej energii promieniowania słonecznego do produkcji ciepła. Instalacja nie wymaga spalania paliwa podczas pracy, a odpowiednio dobrany system może przez znaczną część roku ograniczać zapotrzebowanie na energię potrzebną do przygotowania CWU.

Do najważniejszych zalet kolektorów słonecznych można zaliczyć:

• wykorzystanie odnawialnego źródła energii,
• możliwość ograniczenia kosztów podgrzewania wody,
• możliwość wykorzystania instalacji do podgrzewania basenu,
• wieloletnią pracę prawidłowo zaprojektowanego systemu,
• stosunkowo niewielkie wymagania związane z codzienną obsługą,
• możliwość połączenia z innymi źródłami ciepła.

Trzeba jednak pamiętać, że kolektory nie produkują energii w sposób całkowicie niezależny od pogody. Ich wydajność zmienia się w zależności od nasłonecznienia, pory roku i warunków atmosferycznych.

Kolektory słoneczne czy fotowoltaika?

To pytanie pojawia się bardzo często, ale nie ma jednej odpowiedzi. Oba rozwiązania wykorzystują energię słońca, jednak produkują coś innego. Kolektor słoneczny dostarcza ciepło, a panel fotowoltaiczny – energię elektryczną.

Jeśli najważniejszym celem jest podgrzewanie wody, kolektory mogą być rozwiązaniem dobrze dopasowanym do potrzeb budynku. Jeżeli natomiast chcemy produkować prąd do zasilania urządzeń, ogrzewania elektrycznego, pompy ciepła czy ładowania samochodu, odpowiedniejsza będzie instalacja fotowoltaiczna.

W niektórych przypadkach można wykorzystać oba systemy jednocześnie. Fotowoltaika może produkować energię elektryczną, natomiast kolektory mogą dostarczać ciepło do przygotowania CWU. Nie są więc konkurencyjnymi technologiami w każdym zastosowaniu – mogą pełnić zupełnie różne funkcje w tym samym domu.

Czy warto zamontować kolektory słoneczne?

Opłacalność instalacji zależy przede wszystkim od sposobu wykorzystania ciepłej wody, liczby mieszkańców, dostępnego miejsca oraz kosztu całej inwestycji. Kolektory mogą być szczególnie interesujące tam, gdzie występuje duże i regularne zapotrzebowanie na CWU albo gdzie system będzie wykorzystywany do podgrzewania wody w basenie.

Przed montażem warto jednak dokładnie określić zapotrzebowanie budynku i dopasować do niego powierzchnię kolektorów oraz wielkość zasobnika. Zbyt mała instalacja nie wykorzysta w pełni potencjału słońca, natomiast przewymiarowany system może oznaczać niepotrzebnie wysoki koszt inwestycji.

Kolektory słoneczne najlepiej traktować jako element całego systemu energetycznego budynku. W połączeniu z innym źródłem ciepła mogą ograniczyć zużycie energii potrzebnej do przygotowania ciepłej wody, a w przypadku basenów pozwalają wykorzystać okres największego nasłonecznienia właśnie wtedy, gdy dodatkowe ciepło jest najbardziej potrzebne.