O tym, że największy pożytek mamy z tych kolektorów słonecznych, które swoją płaszczyzną skierowane są na południe, wiedzą nawet osoby nie wykazujące specjalnego zainteresowania techniką solarną. Jednak już kąt ich pochylenia, przy którym dadzą one najwięcej ciepła, nie jest sprawą tak oczywistą.
Docierająca do Ziemi energia słoneczna jest tak duża (około 1000 kWh/m²), że powinna wystarczyć na ogrzanie każdego, nawet kilkupiętrowego domu – także takiego, który nie został wybudowany w najwyższym standardzie energetycznym.
Problem jednak polega na tym, że nawet przy bardzo dobrym ociepleniu budynku potrzebujemy dodatkowego źródła ciepła od listopada do lutego, ponieważ w tych miesiącach słońce świeci zaledwie przez osiem godzin w ciągu dnia i dostarcza dziesięciokrotnie mniej energii niż na przykład w lipcu.
Taka ilość energii nie pokrywa niestety zapotrzebowania na ciepło nawet bardzo energooszczędnego domu, a póki co nie potrafimy jeszcze w opłacalny ekonomicznie sposób zakumulować latem odpowiedniego zapasu energii słonecznej na zimę.
Możemy natomiast z powodzeniem wykorzystać energię słońca do podgrzewania wody, instalując w tym celu – na przykład na dachu – kolektory słoneczne (Fot. 1 i 2). Choć i tutaj nie obejdziemy się bez dodatkowego źródła ciepła – słońce nie jest bowiem skłonne świecić zawsze wtedy, kiedy chcemy wziąć kąpiel.
Kłopot z nadmiarem gorącej wody
Mówi się, że od przybytku głowa nie boli… Perspektywa uzyskania jak największej ilości gorącej wody „za darmo” jest bardzo frapująca i nie zastanawiamy się nad tym, że jej nadmiar może sprawić nam kłopoty.
Tymczasem optymalizacja instalacji słonecznej nie jest wcale zadaniem prostym. Po pierwsze dlatego, że w miesiącach, w których mamy najwięcej słońca, czyli od końca czerwca do początku września, wypadają wakacje.
Jeśli więc nie prowadzimy pensjonatu w górach lub nad morzem, to w tym okresie liczba mieszkańców przeciętnego domu jednorodzinnego zmniejsza się na przykład z czterech do dwóch, a często nawet do zera. Z powodu braku odbiorców ciepłej wody, dostatek słońca z zalety zmienia się w wadę i wymaga odpowiedniego zabezpieczenia instalacji przed przegrzewaniem.
Problem ten daje się oczywiście rozwiązać technicznie, choć niestety często dość znacznym kosztem. Można na przykład zamiast płaskich – użyć droższych od nich – kolektorów próżniowych z rurkami cieplnymi lub takich, w których glikol wypychany jest z kolektorów przez parę przegrzanego płynu. Można też wybrać rozwiązanie najtańsze inwestycyjnie i wyposażyć kolektory w automatykę, która wylewa nadmiar gorącej wody do kanalizacji.
Ten ostatni sposób jest jednak najkosztowniejszy eksploatacyjnie, bo zarówno za czystą wodę, jak i odbiór ścieków płacimy coraz więcej. Do tego dochodzi aspekt etyczny takiego zabezpieczenia instalacji przed przegrzaniem, związany z wylewaniem gorącej wody pitnej do kanalizacji.
Radykalnym rozwiązaniem problemu nadmiaru ciepła, wytworzonego przez instalację słoneczną latem, byłoby podgrzewanie wody w domowym basenie, jeśli oczywiście go mamy, co na razie nie jest powszechne. Jednak i to, na pierwszy rzut oka, dobre rozwiązanie, nie jest zbyt sensowne; po co bowiem podgrzewać wodę w basenie, w którym akurat nikt się nie kąpie.
Jak z tego widać, dobór i właściwe zaprojektowanie kolektorów nie jest sprawą prostą.
Optymalne kolektory
Z danych klimatycznych dotyczących nasłonecznienia na przykład na Mazowszu wynika, że najwięcej energii słonecznej w ciągu roku pada na płaszczyznę pochyloną na południe pod kątem 30º (Rys. 1). Jednakże wybór takiego pochylenia kolektorów byłby błędem. W takim położeniu dają one bowiem najwięcej ciepła w miesiące wakacyjne, a więc wtedy, gdy najmniej go potrzebujemy.
Znacznie korzystniejsze jest pochylenie kolektora pod kątem 60°. Daje ono najwięcej energii jesienią, zimą i wiosną.
Gdyby tak dobrać powierzchnię kolektorów pochylonych pod kątem 60°, by pokryć 100% zapotrzebowania na ciepło do ogrzania wody w kwietniu, to w marcu i wrześniu pokrylibyśmy średnio 85% tego zapotrzebowania, w lutym i październiku 57%, a w trzech najzimniejszych i najciemniejszych miesiącach roku – do 27%.
Pozostaje oczywiście problem, co zrobić z wakacyjnym brakiem odbioru ciepłej wody, ale i tak nie jest on tak duży, jak przy mniejszych kątach pochylenia kolektora.
Kolektor o pochyleniu 60° pozwala na pokrycie aż 70% zapotrzebowania na ciepłą wodę w skali roku. Uzyskanie takiego wyniku możliwe jest pod warunkiem wykorzystania kolektorów próżniowych z rurkami cieplnymi. Problem w tym, że kolektory takie są znacznie droższe od kolektorów płaskich.
Jeśli jednak weźmiemy pod uwagę, że w całej instalacji solarnej koszt kolektora to zaledwie 30% całości wydatków, to nawet jego dwukrotnie wyższa cena podnosi koszty instalacji tylko o 25%.
Biorąc pod uwagę 25-30% wzrost sprawności systemu w okresie od października do marca (średnio 15% rocznie) i 20-letni okres trwałości kolektora, koszty kapitałowe ogrzania ciepłej wody będą podobne, jak przy zastosowaniu kolektorów płaskich.
Równocześnie kolektory próżniowe rozwiązują problemy z przegrzewaniem wody. Wybierając je, należy brać pod uwagę wysokie ryzyko, ponieważ na rynku jest wiele produktów niskiej jakości. Bez wiarygodnych gwarancji ich zastosowanie może narazić nas na straty finansowe.
Montaż kolektorów
Większość kolektorów słonecznych montuje się u nas na dachach domów. Nie wszystkie z nich mają oczywiście jedną połać skierowaną na południe. Jeśli odchylenie od kierunku południowego jest niewielkie, rzędu 10 stopni, to nie ma to większego wpływu na efektywność kolektorów. Gorzej, gdy połacie domu skierowane są na wschód i zachód. Wtedy najlepszym rozwiązaniem, wciąż mało u nas popularnym, jest ustawienie kolektorów w ogrodzie (Fot. 3) lub na przykład na płaskim dachu garażu.
Ten sposób montażu kolektorów sprawdzi się także wtedy, gdy będziemy chcieli, by były one pochylone pod zalecanym tutaj kątem 60º.
W większości polskich domów połacie dachu nachylone są pod kątem 35-45º, czyli dla pochylenia kolektorów w wariancie pośrednim pomiędzy 30 i 60 stopni. Domy, których dachy mają połacie nachylone pod kątem 60º, zdarzają się bowiem w Polsce stosunkowo rzadko (Fot. 4), a nawet jeśli się trafią, żadna z nich nie musi być skierowana na południe.
Uwaga! Zalecany tu kąt pochylenia nie dotyczy paneli fotowoltaicznych (Fot. 5), zmieniających energię słońca w prąd elektryczny. Największą korzyść z nich będziemy mieli wtedy, gdy będą skierowane na południe i nachylone pod kątem 35-45º w stosunku do poziomu.
Przy takim ustawieniu ogniwa fotowoltaiczne wyprodukują najwięcej prądu, którego wszystkie niewykorzystane nadwyżki możemy przekazać do sieci energetycznej, by później – zgodnie z obowiązującą zasadą net meteringu – 80% z nich odebrać z niej „za darmo”.
W przeciwieństwie bowiem do kolektorów słonecznych, z których ciepło wykorzystujemy jedynie na własne potrzeby, przy panelach fotowoltaicznych jesteśmy nie tylko konsumentami wyprodukowanego przez nie prądu, ale i producentami, którzy przekazują jego nadwyżki do państwowej sieci. Mówiąc najkrócej – montując u siebie panele fotowoltaiczne przestajemy być jedynie konsumentami energii elektrycznej, a stajemy się prosumentami.
Autor: Ludomir Duda
