Polozenie kolektora slonecznego wzgledem slonca

1. Wprowadzenie.

Położenie kolektora słonecznego względem słońca jest jednym z najistotniejszych czynników wpływających na jego uzysk energetyczny. Najwyższe wartości promieniowania słonecznego uzyskiwane są przy prostopadłym kącie ich padania na płaszczyznę kolektora. Jednakże, jak powszechnie wiadomo, ruch obrotowy Ziemi wpływa bezpośrednio na zmianę kąta padania promieniowania słonecznego w ciągu dnia, co powoduje, że określenie optymalnej orientacji kolektora słonecznego w wielu przypadkach jest problematyczne. Jest to szczególnie istotne w przypadku kolektorów płaskich, charakteryzujących się dużą „wrażliwością” na zmiany kąta padania promieniowania słonecznego (przy odchyleniach od normalnego kąta padania promieniowania słonecznego na płaską powierzchnię zmniejsza się jego wartość). Zastosowanie kolektorów próżniowo-rurowych z podwójną ścianą wprawdzie znacząco zmniejszy wpływ kąta padania promieniowania słonecznego, ze względu na cylindryczny kształt szklanych osłon i absorberów (kąt padania promieniowania słonecznego jest zawsze prosty w płaszczyźnie poprzecznej do osi rury próżniowej), jednakże nie zwalnia to z potrzeby ustalenia jego optymalnej orientacji względem stron świata jak i kąta nachylenia względem poziomu (uwarunkowanego zmianą kąta padania promieniowania słonecznego wywołaną ruchem obrotowym Ziemi).

2. Orientacja połaci dachowej.

Promieniowanie słoneczne, w zależności od pory roku, pada prostopadle na powierzchnię poziomą wzdłuż obszaru równika oraz zwrotników Raka i Koziorożca. Oznacza to, że na półkuli północnej (głównie Europa, Ameryka Północna, Azja) największe wartości nasłonecznienia występują na płaszczyźnie skierowanej pod odpowiednim kątem w kierunku południowym (czyli kierunku równika i zwrotników), gdzie promieniowanie słoneczne jest dostępne od wschodu do zachodu słońca. Dlatego też, optymalne usytuowanie kolektorów słonecznych w Polsce (półkula północna) znajduje się na południowej powierzchni połaci dachowej, ze względu na występujące tam największe wartości promieniowania słonecznego wpływające na wysoki uzysk energetyczny. Jeżeli orientacja połaci dachowej umożliwia umiejscowienie kolektorów po jej południowej stronie należy właśnie tam je zamontować. Jednakże często spotykanym przypadkiem jest budynek posiadający dach dwuspadowy o orientacji Wschód-Zachód. Wskazane jest wówczas rozpatrzenie innego miejsca montażu kolektorów słonecznych.

Jeżeli istnieje taka możliwość, należy ustawić pole kolektorów na terenie znajdującym się obok budynku. Pole kolektorów powinno być skierowane na południe i znajdować się jak najbliżej budynku w celu ograniczenia strat ciepła na przesyle. Takie rozwiązanie wiąże się z dodatkowym nakładem robót (a co za tym idzie kosztów), gdyż przewody w takim wypadku powinny być prowadzone w gruncie, a kolektory słoneczne powinny zostać przymocowane (za pomocą zestawów na dach płaski) do wcześniej przygotowanych w tym celu fundamentów. Należy zwrócić szczególną uwagę, czy żaden ze znajdujących się w pobliżu obiektów nie będzie zacieniał powierzchni czynnej kolektorów słonecznych w ciągu dnia. Podczas wykonywania instalacji w okresach przejściowych (szczególnie wczesną wiosną oraz późną jesienią) należy zwrócić uwagę na dodatkowe zacienie mogące się pojawić w okresie letnim, spowodowane liśćmi drzew.

Innym rozwiązaniem jest przymocowanie kolektorów słonecznych do południowej elewacji budynku. W tym przypadku może okazać się utrudnione otrzymanie odpowiedniego kąta nachylenia kolektorów względem poziomu, często połączone ze zmniejszeniem walorów estetycznych budynku. Należy również zaznaczyć, że obecnie powstające budynki charakteryzują się największym przeszkleniem od strony południowej (zwiększające zyski ciepła od nasłonecznienia), co może w znaczącym stopniu utrudnić instalację wymaganej powierzchni kolektorów słonecznych.

Przy małych kątach nachylenia względem poziomu połaci dachowej o orientacji Wschód-Zachód możliwe jest skierowanie powierzchni kolektorów na południe poprzez wykorzystanie zestawu do montażu na dach płaski. Takie rozwiązanie jest jednak rzadko spotykane, gdyż występujące wtedy przechylenie kolektora słonecznego na boki warunkuje skrajnie mały kąt nachylenia połaci dachowej względem poziomu. Dodatkowo, istotnym problemem z punktu widzenia inwestora, może okazać się mała estetyka budynku z zainstalowanymi w ten sposób kolektorami.

Problem niekorzystnej orientacji połaci dachowej Wschód-Zachód jest również możliwy do rozwiązania poprzez zastosowanie odpowiedniej automatyki uwzględniającej tryb pracy kolektorów słonecznych w konfiguracji Wschód-Zachód. W takim przypadku wskazane jest umieszczenie dwóch baterii kolektorów słonecznych proporcjonalnie na Wschodniej i Zachodniej połaci dachowej. Należy zwrócić uwagę na wyodrębnienie dwóch obiegów solarnych (wschodniego i zachodniego) poprzez zastosowanie odrębnych czujników temperatury i pomp obiegowych, co umożliwi regulatorowi solarnemu poprawne sterowanie pracą instalacji w trybie Wschód-Zachód. Rozwiązanie hydrauliczne takiego trybu pracy instalacji solarnej zostało przedstawione w zakładce schematy instalacyjne.

3. Kąt nachylenia kolektora słonecznego względem poziomu.

W przeciągu roku, kąt padania promieniowania słonecznego w odniesieniu do płaszczyzny poziomej w południe zmienia się, co przekłada się na jego wartość. Przykładowo dla obszaru Polski w okresie przesilenia letniego (22 czerwca) kąt padania promieniowania słonecznego na powierzchnię poziomą wynosi w przybliżeniu ℎ≈ 72⁰, podczas gdy podczas przesilenia zimowego (22 grudnia) wynosi on już zaledwie ℎ≈ 25⁰. Oznacza to, że aby promieniowanie słoneczne padało prostopadle na kolektor słoneczny, 22 czerwca powinien być on nachylony względem poziomu pod kątem β≈ 28⁰, a 22 grudnia pod kątem β≈ 75⁰. Dlatego też, w celu optymalizacji uzysku energetycznego kolektorów słonecznych w przeciągu całego roku, często stosuje się wartości średnie mieszczącą się w zakresie β=40−50⁰.

Istotny wpływ na kąt nachylenia kolektorów słonecznych względem poziomu ma rodzaj instalacji przez nie zasilanej. Jeżeli jest to oprócz przygotowania c.w.u. również wspomaganie ogrzewania, należy przyjąć większy kąt nachylenia niż w/w wartość średnia, w celu umożliwienia optymalnej pracy kolektorów w okresie jesienno-zimowym, gdyż wtedy dostępność promieniowania słonecznego jest najmniejsza i wpływ jego kąta padania ma istotny udział procentowy w uzysku energetycznym. W okresie letnim, gdy dostępność promieniowania słonecznego znacząco wzrasta, spada również wpływ jego kąta padania, dlatego też przy mniej korzystnym nachyleniu względem poziomu kolektory słoneczne będą się charakteryzowały wystarczającym uzyskiem energetycznym.

Przy wyznaczaniu optymalnego kąta nachylenia kolektora słonecznego względem poziomu należy również zwrócić uwagę na jego konstrukcję i zalecenia producentów. Przykładowo, kolektory wykorzystujące technologię heat pipe (rurek ciepła) w celu przenoszenia ciepła z absorbera do obiegu czynnika grzewczego nie mogą być montowane przy skrajnie niskich kątach nachylenia. Para czynnika roboczego w rurkach ciepła unosi się ku górze, co w przypadku skrajnie niskiego kąta nachylenia kolektora uniemożliwia jej dotarcie do skraplacza umieszczonego w rozdzielaczu i tym samym wymianę ciepła z obiegiem solarnym.

Ciekawym rozwiązaniem może okazać się zastosowanie aktywnego systemu śledzącego (tzw. active tracking), który podążając za optymalnym kątem padania promieniowania słonecznego, steruje położeniem kolektora za pomocą specjalnych siłowników. Jednakże wysoki koszt takiej technologii sprawia, że jest ona głównie wykorzystywana w specjalistycznych laboratoriach do badań kolektorów słonecznych jak i również paneli fotowoltaicznych (PV i PVT).

4. Wpływ kąta padania promieniowania słonecznego na sprawność cieplną kolektora.

Jak powszechnie wiadomo, kąt padania promieniowania słonecznego zmienia się w zależności od pory dnia. Oznacza to, że nawet przy optymalnej orientacji i kącie nachylenia kolektora, promieniowanie słoneczne w dalszym ciągu będzie zmieniało swój kąt padania na jego płaszczyznę, co przekłada się na jego uzysk energetyczny. W tym miejscu należy zaznaczyć, że sprawność cieplna kolektorów słonecznych podawana jest dla prostopadłego kąta padania promieniowania słonecznego. Dlatego też, w celu określenia wpływu zmiany kąta padania promieniowania słonecznego na powierzchnię aktywną kolektorów słonecznych (co przekłada się na ich sprawność), określa się współczynnik nazywany modyfikatorem kąta padania. Jest on wyznaczany dla szerokiego zakresu kątów padania promieniowania słonecznego w akredytowanych laboratoriach podczas wyznaczania charakterystyki cieplnej kolektora słonecznego. Dla kąta prostopadłego współczynnik ten wynosi 1, dlatego też im wartości współczynnika modyfikatora kąta padania są bliższe jedności, tym mniejszy jest ich wpływ zmiany kąta padania promieniowania słonecznego na uzysk energetyczny kolektora. W przypadku kolektorów próżniowo-rurowych z podwójną ścianą, wartości te w większości przypadków przekraczają jedność (K_θ>1), co jest spowodowane cylindrycznym kształtem osłony i absorbera umożliwiającym uzyskanie optymalnych kątów padania promieniowania słonecznego względem płaszczyzny prostopadłej do osi optycznej rury próżniowej bez względu na położenie słońca. Najbardziej „wrażliwe” na zmianę kąta padania promieniowania słonecznego są kolektory płaskie, które charakteryzują wartości współczynnika modyfikatora kąta padania znacznie poniżej jedności (K_θ<1). Różnice w wartościach modyfikatora kąta padania pomiędzy kolektorami płaskim a próżniowo-rurowymi z podwójną ścianą mogą wynieść w skrajnych punktach nawet powyżej 0,5. Przekłada się to na znacząco większą sprawność cieplną i uzysk energetyczny kolektorów próżniowo-rurowych z podwójną ścianą szczególnie w okresie porannym i popołudniowym, gdy kąty padania promieniowania słonecznego są wtedy najbardziej odchylone od kąta prostego.

5. Podsumowanie.

Orientacja oraz kąt nachylenia względem poziomu kolektorów słonecznych przekładają się na wartość docierającej do nich energii promieniowania słonecznego. Optymalne umiejscowienie zapewniające największy uzysk energetyczny kolektora słonecznego warunkują takie czynniki jak: położenie geograficzne, przeznaczenie instalacji, ale też i zalecenia producentów oraz konstrukcja samego kolektora. Uwzględnienie tych czynników zapewni wysoki stopień pokrycia zapotrzebowania na ciepło przez kolektory słoneczne, co przyczyni się do szybkiego zwrotu poniesionych kosztów inwestycyjnych.