Dlaczego kolektory słoneczne nie przegrają z panelami PV?

Kolektory słoneczne i panele fotowoltaiczne służą do pozyskiwania energii słonecznej. Co pozwala na ograniczenie zużycia tej pochodzącej z paliw kopalnych i obniżenie wydatków na gaz, węgiel czy prąd. Z wyglądu są prawie identyczne, lecz więcej je dzieli niż łączy - to instalacje o odmiennych wymaganiach i możliwościach. Kolektory przetwarzają promieniowanie słoneczne na ciepło, panele fotowoltaiczne na energię elektryczną, którą da się spożytkować na więcej sposobów.

Dla laika odróżnienie ich na dachu może być trudne. Zamęt dodatkowo zwiększa fakt, że po wpisaniu w internetowej wyszukiwarce hasła "kolektory słoneczne", zostajemy przekierowani na strony firm zajmujących się montażem paneli fotowoltaicznych! To dlatego, że rządowy program Mój Prąd wywołał boom na fotowoltaikę. Państwo dopłaca 5 tys. zł do nowej instalacji fotowoltaicznej i każda firma działająca na tym rynku chciałaby uszczknąć dla siebie kawałek tego tortu, nawet jeśli inwestor tak naprawdę szuka czegoś innego.

Infografika: Kolektory płaskie czy kolektory próżniowe? Różnice w budowie i działaniu

Kolektory słoneczne - dlaczego warto?

W naszej szerokości geograficznej kolektory słoneczne wykorzystuje się głównie do podgrzewania ciepłej wody użytkowej, rzadziej także tej do przydomowych basenów. Wynika to przede wszystkim z uwarunkowań klimatycznych. Co prawda, w ciągu roku na każdy 1 m2 dachu i działki pada około 1000 kW energii słonecznej, jednak roczny rozkład tego promieniowania jest bardzo nierównomierny. Na okres od maja do sierpnia przypada 60% energii docierającej do nas ze słońca, a od listopada do lutego zaledwie 10%. Co w praktyce oznacza, że ten sam zestaw kolektorów w czerwcu podgrzeje wodę w zasobniku do przeszło 60°C, w grudniu jedynie do 20°C. Zimą, gdy słońca jest niewiele, nawet rozbudowany i kosztowny system da tak niewiele ciepła, że nie ma co liczyć na ogrzewanie w ten sposób domu.

Niemniej jednak dobrze zaprojektowana i wykonana instalacja solarna zapewnia przeszło 50% ciepła potrzebnego do przygotowywania ciepłej wody użytkowej w ciągu całego roku. W miesiącach najcieplejszych w 100% zabezpiecza zapotrzebowanie na energię zużywaną do grzania c.w.u.

Latem kolektory zaspokoją nawet 100% zapotrzebowania na energię do podgrzewania c.w.u. (fot. Ravak)

Takie rozwiązanie świetnie sprawdza się w domach ogrzewanych paliwami stałymi (węglem, drewnem, peletami), bo dzięki kolektorom poza sezonem grzewczym nie ma potrzeby rozpalania w kotle. Przy kiepskiej, pochmurnej pogodzie może je wspomóc grzałka elektryczna. W ten sposób nie tylko oszczędzamy na opale, ale i żyjemy dużo wygodniej.

Coraz większe znaczenie ma również aspekt ekologiczny. Dzięki kolektorom ograniczamy zużycie paliw kopalnych i nie dymimy, więc nie zanieczyszczamy środowiska. Taka instalacja jest tym bardziej opłacalna, im więcej ciepłej wody zużywamy i im więcej osób mieszka w domu. I im droższy jest nośnik ciepła (gaz płynny, olej opałowy), którym ogrzewamy dom i podgrzewamy c.w.u.

Gdzie i jak montować kolektory słoneczne?

Jak już powiedziano, możliwości wykorzystania solarów ogranicza przede wszystkim dostęp do promieniowania słonecznego. Z tego względu bardzo ważne jest ich umiejscowienie i ekspozycja na właściwą stronę świata.

Najlepiej, jeśli kolektory skierowane są wprost na południe. Odchylenie (do 45°) na wschód lub zachód jest dopuszczalne, lecz obniża uzysk energii - o maksymalnie 20%. Planowanie kolektorów od północy zupełnie mija się z celem.

Najlepsze miejsce na montaż solarów to skośny dach o kącie nachylenia 45°, zwrócony na południe. (fot. Hewalex)

Najczęściej zakłada się je na dachu. To dobry wybór, o ile połać zwrócona jest właśnie na południe, kąt jej nachylenia wynosi plus minus 45° i nie ma elementów zacieniających (kominów, lukarn). Zacienienie dachu praktycznie wyklucza możliwość zamontowania na nim solarów. W takiej sytuacji można spróbować umieścić je na samodzielnej konstrukcji nośnej, ustawionej przy budynku albo na jego ścianie. Na dachach płaskich kolektory montuje się na specjalnych konstrukcjach wsporczych.

Odchylenie solarów na zachód lub wschód można zrównoważyć, zwiększając ich powierzchnię. Kąt nachylenia kolektorów również ma znaczenie. Jeśli nie ma możliwości zmieniania go w ciągu roku, to optymalny wynosi między 30 i 60°. Jeśli zamocowano je na konstrukcji wsporczej i da się korygować ich nachylenie, latem korzystne jest ustawienie prawie płaskie (0-30°). Zimą i jesienią, gdy słońce jest nisko nad horyzontem, zalecana jest pozycja zbliżona do pionu (60-90°).

Kolektory instaluje się również na ścianach budynków (fot. górna: Makroterm) oraz na konstrukcjach wsporczych na dachach płaskich (fot. z lewej: Buderus) i na gruncie (fot. z prawej: Hewalex).

Trzeba też pamiętać, żeby odległość między kolektorami i zasobnikiem, w którym gromadzona jest podgrzewana woda, była jak najmniejsza. Łączące je rury powinny być dobrze zaizolowane termicznie. Cóż bowiem z tego, że płyn solarny podgrzeje się w kolektorze, jeśli w zimny dzień zdąży się schłodzić, zanim dotrze do zbiornika c.w.u.?

Rodzaje kolektorów

Na rynku znajdziemy solary płaskie i rurowe próżniowe. Różni je kształt absorbera, czyli elementu pochłaniającego promieniowanie słoneczne oraz sposób jego izolacji cieplnej.

Dwa najpopularniejsze typy kolektorów słonecznych - płaski (fot. z lewej: Galmet) i próżniowy heat pipe (fot. z prawej: Nibe-Biawar).

W kolektorach płaskich absorberem jest metalowa płyta (miedziana lub aluminiowa), pokryta powłokami poprawiającymi pochłanianie promieni słonecznych. Od dołu przylegają do niej rurki, którymi przepływa płyn ogrzewający się od absorbera i transportujący ciepło do wężownicy w zasobniku wody. Obudowa kolektora to jakby metalowa wanna izolowana wełną mineralną, od góry przykryta taflą szkła o dużej wytrzymałości (musi przetrwać np. grad). Konstrukcja jest prosta i trwała. Jednak izolacja termiczna kolektora jest słaba, co skutkuje dużymi stratami ciepła w chłodniejsze dni.

Czynnikiem roboczym, transportującym ciepło do zasobnika, może być woda (to tańszy wariant) albo niezamarzający roztwór glikolu. To rozwiązanie stosowane częściej i polecane przez producentów kolektorów. Opcja z wodą ma wady - w instalacji może odkładać się kamień, który z czasem zablokuje jej przepływ, a przed nadejściem zimy trzeba ją spuścić z kolektorów (choć są systemy, w których nie trzeba tego robić).

Rurowe kolektory próżniowe to zespoły szklanych rur próżniowych, w których znajduje się absorber. Może być nim pas blachy z odpowiednią powłoką i umocowaną od spodu rurką z płynem roboczym, albo tzw. ciepłowód (heat pipe). Dzięki próżni uzyskuje się bardzo dobrą izolacyjność termiczną. Z tej racji kolektory próżniowe dają wyższy uzysk energii w chłodniejszych miesiącach, a także liczony jako średnia z całego roku. Za to latem, przy wysokiej temperaturze otoczenia oraz intensywnym nasłonecznieniu, lepsze osiągi mają wersje płaskie.

Kolektory próżniowe są droższe, chociaż przez ostatnie lata ich ceny mocno spadły. W domach jednorodzinnych przeważnie instaluje się jednak tańsze i o prostszej budowie kolektory płaskie. Ich uszkodzenie i spadek wydajności są mniej prawdopodobne.

Zakup modeli próżniowych ma sens, gdy zależy nam na większym uzysku ciepła w chłodniejszych miesiącach. Powinny być to jednak produkty dobrej jakości, bo dość często zdarza się, że tanie rury próżniowe się rozszczelniają.

Jak duża instalacja solarna?

Żeby latem zagrzać ciepłą wodę dla 4 osób (przy założeniu, że każda potrzebuje jej 50 l na dobę), wystarczy układ 2 albo 3 kolektorów o powierzchni ok. 2 m2 każdy. Kolektory nie zajmują więc dużej powierzchni i znacznie łatwiej wygospodarować na nie miejsce, niż na instalację fotowoltaiczną. W chłodniejsze dni podgrzeją wodę tylko np. do 30°C, a później jej temperaturę podniesie jeszcze elektryczna grzałka albo kocioł. Taka inwestycja nie jest zbyt kosztowna, nie powinna też przysparzać problemów w trakcie budowy i eksploatacji.

Instalacja większa (np. 4 solary dla 4 osób) będzie droższa. Co prawda, lepiej podgrzeje c.w.u. także w okresach przejściowych (wiosna, jesień), ale w miesiącach letnich może być źródłem kłopotów, bowiem pojawi się problem z nadmiarem ciepła i przegrzanymi kolektorami. Tzw. przegrzew to zmartwienie właścicieli instalacji solarnych zbyt rozbudowanych, albo nieużywanych - gdy nie ma odbioru c.w.u., bo mieszkańcy np. wyjechali na urlop.

Przed tego typu kłopotami można zabezpieczyć się na jeden z trzech sposobów:

• uruchamiając przepływ płynu solarnego przez kolektory w godzinach nocnych i tak oddając do otoczenia nadmiar zgromadzonego ciepła,
• stosując specjalne, samoopróżniające się kolektory (system drain back),
• zasłaniając kolektory (np. plandeką) przed wyjazdem na urlop.

Nie tylko kolektory

Niezbędnym elementem instalacji solarnej jest akumulator ciepła - zasobnik. To właśnie tam magazynowana jest woda, którą podgrzewa ciepło wytwarzane w kolektorach. Zasobnik powinien mieć pojemność kilkuset litrów. Dla 4 osób zaleca się 200-300 l (100 l na każdy kolektor o powierzchni 2 m2). Umożliwia to przejęcie całego ciepła w słoneczne dni i pozwala zgromadzić zapas na wypadek gorszej pogody. Większy jest niewskazany, bo jeśli zafundujemy sobie zasobnik o pojemności np. 500 l, to w czasie chłodów będziemy musieli dogrzewać konwencjonalnie wodę, której i tak nie wykorzystamy.

Na drodze kolektor - zasobnik czynnik roboczy krąży w obiegu zamkniętym wymuszonym przez pompę cyrkulacyjną. Dzięki temu, kiedy słońca jest za mało, układ sterowania włącza dodatkowe podgrzewanie wody, np. kocioł na dowolne paliwo. Tańszym rozwiązaniem może być zasobnik z wbudowaną grzałką elektryczną, dogrzewającą wodę w razie potrzeby.

Niezbędnym elementem instalacji solarnej jest zasobnik na c.w.u. (fot. Ariston)

Instalacja solarna - koszty i dopłaty

Dobrej jakości zestaw solarny z dwoma kolektorami płaskimi, zasobnikiem 200 l i niezbędnymi akcesoriami to wydatek 5-7 tys. zł. Układ bardziej rozbudowany i z kolektorami próżniowymi, jest 2-3 razy droższy.

Na montaż kolektorów słonecznych można dostać dopłatę z rządowego programu Czyste Powietrze. Przy podstawowym poziomie dofinansowania (są do niego uprawnieni inwestorzy, których roczny dochód nie przekracza kwoty 100 tys. zł) dotacja do kolektorów wynosi nie więcej niż 30% wartości przedsięwzięcia i do 4,5 tys. zł.

W przypadku podwyższonego poziomu dofinansowania (uprawnia do niego miesięczny dochód poniżej 1400 zł netto na głowę w gospodarstwie wieloosobowym i do 1960 zł netto w gospodarstwie jednoosobowym), jest to do 60% wartości inwestycji i do 9 tys. zł.

Inwestorzy zarabiający rocznie powyżej 100 tys. zł, których nie obejmuje wsparcie z programu Czyste Powietrze, mogą skorzystać z ulgi termomodernizacyjnej. Ta pozwala na odliczenie od dochodu do 53 tys. zł, wydanych na termomodernizację budynku jednorodzinnego. Podobnie jak dofinansowanie, ulga przysługuje tylko przy remoncie.

Redaktor: Janusz Werner
fot. otwierająca: Gaspol