Solární kolektory

Solární kolektory - typy a rozdělení, 1. díl

6. 5. 2014

Solární tepelný kolektor je zařízení určené k pohlcení slunečního záření a jeho přeměně na tepelnou energii, která je předávána teplonosné látce, protékající kolektorem. Užívání termínu "panel" se potlačuje, aby se předešlo záměně s fotovoltaickými panely. Přeměna energie slunečního záření v tepelnou energii - fototermální přeměna - je jednou z nejjednodušších cest jak využít sluneční záření. Fototermální přeměna spočívá v absorpci slunečního záření na povrchu tuhých látek a kapalin, kdy se energie dopadajících fotonů slunečního záření mění v teplo (pohyb molekul). Základním prvkem kolektoru je tedy absorpční plocha, která se pohlcováním slunečního záření ohřívá. Tepelná energie se z absorpčního povrchu odvádí různými teplonosnými látkami, zvláště kapalinami (voda, nemrznoucí směs) proudícími v kanálkové struktuře spojené s absorpčním povrchem, nejčastěji v podobě trubkového registru. Pro snížení tepelných ztrát z absorbéru se využívá na přední straně kolektoru zasklení propouštějící sluneční záření. Zasklení omezuje jednak tepelné ztráty sáláním, neboť je nepropoustné vůči dlouhovlnnému záření a zároveň vytváří před absorbérem vzduchovou vrstvu, která vytváří tepelný odpor mezi absorbérem a okolním prostředím. Na zadní straně a bočních stranách absorbéru nepřijímajících sluneční záření se ztrátám tepla zabraňuje neprůhlednou tepelnou izolací uchycenou v rámu (skříni) kolektoru. Zjednodušené schéma solárního kolektoru je uvedeno na obrázku.

Obr. 2.1.: Základní součásti solárního tepelného kolektoru (plochý)
Popis obrázku:
A: transparentní kryt - zasklení
B: absorbér
C: sběrná trubka pro odvod tepla
D: tepelná izolace
E: trubky s teplonosnou látkou
F: rám kolektoru

Solární tepelný kolektor je součástí aktivních solárních zařízení, tj. zařízení či soustav, které vyžadují mezi místem produkce tepla (solárním kolektorem) a místem spotřeby tepla (zásobník, sprcha, otopné těleso, apod.) rozvod teplonosné látky a často hnací zařízení pro její dopravu (čerpadlo, ventilátor). Naproti tomu pasivní solární zařízení využívají stavebních prvků umístěných účelně v dispozici prostoru k jímání slunečního záření (okno jako kolektor), akumulaci solárních zisků (vnitřní konstrukce jako zásobník tepla) a jejich využití přímo v daném prostoru.

Druhy solárních kolektorů

Solární kolektory je možné rozlišit podle řady hledisek. Nejčastější rozdělení kolektorů je uvedeno v diagramu na obr. 2.2. Základním kriteriem rozlišení je druh použité teplonosné látky. Pro naprostou většinu aplikací v ČR se využívají solární kolektory, ve kterých je jako teplonosná látka používaná kapalina (voda, nemrznoucí směs vody a propylenglykolu). Kapalinové kolektory mají absorbér zpravidla tvořený trubkami, protékanými teplonosnou kapalinou, která odvádí teplo z povrchu absorbéru. Vzduchové kolektory jsou v současnosti využívány v ČR pouze okrajově. V minulosti byly hojně využívány ve velkých plochách v zemědělství pro sušení píce. Určitý potenciál vzduchových kolektorů leží v možnosti využití pro předehřev čerstvého vzduchu pro větrání nebo oběhového vzduchu pro cirkulační vytápění, bud' teplovzdušné nebo sálavé (hypokaustické).

• Solární kapalinové kolektory se podle konstrukčního uspořádání rozdělují na jednotlivé druhy, se kterými je možné se v praxi setkat:

• plochý nekrytý kolektor - zpravidla plastová rohož bez zasklení, nejčastěji využívaná pro sezónní ohřev bazénové vody o nízké teplotní úrovni;

• plochý neselektivní kolektor - zasklený deskový kolektor s kovovým absorbérem se spektrálně neselektivním povlakem (např. černým pohltivým nátěrem), určený pro sezónní předehřev vody při nízké teplotní úrovni;

• plochý selektivní kolektor - zasklený deskový kolektor s kovovým absorbérem se spektrálně selektivním povlakem, určený pro celoroční ohřev vody a vytápění;

• plochý vakuový kolektor - deskový kolektor s kovovým absorbérem se spektrálně selektivním povlakem a tlakem uvnitř kolektoru nižším (absolutní tlak cca 1 až 10 kPa) než atmosférický tlak v okolí kolektoru, určený pro celoroční ohřev vody a vytápění, případně průmyslové aplikace s provozními teplotami okolo 100°C;

• trubkový vakuový kolektor - kolektor s plochým nebo válcovým selektivním absorbérem umístěným ve vakuované (absolutní tlak < 1 mPa) skleněné trubce, s variantami předávání tepla do teplonosné látky: přímo protékaný registr nebo tepelná trubice, určený pro kombinované soustavy pro vytápění či průmyslové vysokoteplotní aplikace (provozní teploty nad 100°C);

• soustřeďující (koncentrační) kolektor - obecně kolektor, ve kterém jsou použita zrcadla (reflektory), čočky (refraktory) nebo další optické prvky k usměrnění a soustředění přímého slunečního záření na absorbér.

Obr. 2.2.: Rozdělení solárních kolektorů

Podle statistiky z roku 2010 jsou nejčastějšími typy kolektorů na trhu v ČR ploché atmosférické selektivní kolektory, kterých bylo nainstalováno cca 74 tis. rn". Trubkové vakuové kolektory tvoří cca 20 % trhu zasklených kolektorů (okolo 18 tis. rn"). Nezanedbatelnou součástí trhu jsou také nezasklené kolektory ve formě bazénových rohoží s roční instalovanou plochou okolo 50 tis. m². Koncentračních kolektorů se ročně instaluje pouze okolo 100 m² .

Nekryté (nezasklené) kolektory

Absence krytu (zasklení) zlepšuje optické vlastnosti kolektoru, protože odpadají ztráty odrazem na zasklení, nicméně na druhé straně kolektor vykazuje vysoké tepelné ztráty. Zatímco u zasklených kolektorů vzduchová mezera mezi krytem a absorbérem snižuje tepelné ztráty absorbéru do okolí (sáláním, konvekcí), u nezasklených jsou výkon a účinnost kolektoru výrazně ovlivňovány okolním prostředím (teplota okolí, teplota oblohy, rychlost větru). Zvláště se zvyšující se rychlostí větru rostou tepelné ztráty výrazně a výkon kolektoru prudce klesá. Nezasklené kolektory jsou proto vhodné především k nízkoteplotnímu ohřevu vody pro bazény nebo předehřevu studené vody.

Nekryté absorbéry se vyrábějí zpravidla z plastu odolného vůči UV záření (EPDM, polypropylen). Nevýhodou použití plastů je omezená odolnost takových kolektorů vůči extrémním podmínkám a celková trvanlivost. Vyšší kvalitativní úroveň představují kovové nezasklené absorbéry z nerezu s trvanlivými vysoce pohltivými povlaky, někdy kombinovanýmis nízkoemisivními vrstvami (selektivní povlaky).

Obr.: Ilustrační foto, nekryté (nezasklené) solární kolektory