Kolektory słoneczne zapewniają najniższe koszty pozyskania energii promieniowania słonecznego, które jest bezpośrednio zamieniane na ciepło użytkowe. Sprawność pracy kolektora słonecznego w typowym zakresie temperatur roboczych, zwykle wynosi od 50 do 70%. Górną granicą sprawności kolektora jest wartość tzw. sprawności optycznej, która jest wyznaczana w trakcie badań laboratoryjnych zgodnie z normą PN-EN 12975.
W przypadku kolektorów słonecznych, sprawność w zależności od warunków eksploatacji, można określić na podstawie 3 głównych parametrów, które prezentowane są w certyfikatach Solar Keymark (dostępne na solarkeymark.org). Parametry odnoszone są do powierzchni apertury, czyli czynnej nasłonecznionej powierzchni kolektora słonecznego:
Parametry zawarte w certyfikacie Solar Keymark to: sprawność optyczna (η0), współczynnik strat ciepła liniowych (a1), współczynnik strat ciepła nieliniowych (a2). Również istotnym parametrem jest temperatura stagnacji kolektora słonecznego (tstg).
Badania laboratoryjne kolektorów słonecznych
Kolektory słoneczne podlegają szerokiemu zakresowi badań określających ich charakterystyczne parametry robocze, a także sprawdzające wytrzymałość na ekstremalne warunki pracy. Badania prowadzone są w kilkunastu akredytowanych laboratoriach na świecie według ustalonych zasad (grupa norm EN 12975). Badania prowadzone są najczęściej w pomieszczeniach zamkniętych niezależnie od warunków zewnętrznych. Maksymalne całkowite natężenie promieniowania słonecznego wynosi wówczas 1000 W/m2, a temperatura powietrza 30°C. Kolektory słoneczne Hewalex były badane w laboratoriach europejskich już w 1995 roku (Bundesforschungs- und Prüfzentrum Arsenal, Austria), a certyfikaty Solar Keymark otrzymują od 2007 roku.
Sprawność optyczna kolektora słonecznego
To największa sprawność, jaką może osiągać kolektor słoneczny – określana w badaniach laboratoryjnych. Sprawność optyczna (eta 0) jest w praktyce nieosiągana, gdyż wyznaczana jest przy braku strat ciepła kolektora słonecznego, co oznacza, że temperatura absorbera powinna być równa temperaturze powietrza zewnętrznego. Sprawność optyczna jest więc związana z konstrukcją kolektora słonecznego, opisując tym samym jaka część promieniowania słonecznego dociera do absorbera. Uwzględnia się przy tym między innymi straty promieniowania słonecznego przechodzącego przez szybę oraz odbijanego od powierzchni absorbera.
Sprawność kolektora słonecznego zależy w znacznej mierze od różnicy temperatury pomiędzy absorberem, a otoczeniem. Różnicę temperatury zwyczajowo podaje się w stopniach Kelvina, np. dla temperatur 60oC i 25oC, różnica wynosi 35 K.
Wykres sprawności kolektora słonecznego
Na podstawie trzech parametrów: sprawności optycznej oraz współczynników strat ciepła a1 i a2, tworzony jest wykres sprawności kolektora słonecznego. Na jego podstawie można określić sprawność kolektora w danych warunkach eksploatacji, a także porównać ze sobą różne rodzaje kolektorów płaskich i próżniowych. Sprawność chwilową określa się według wzoru zawierającego wartość sprawności optycznej h0, współczynników strat ciepła a1 i a2, różnicy temperatury (absorber-otoczenie) ΔT oraz nasłonecznienia Eg.
Wykres sprawności optycznej kolektora słonecznego Hewalex dla nasłonecznienia Eg = 1000 W/m2
Gdyby izolacja cieplna kolektora była na tyle doskonała, że straty ciepła były by zerowe, to wykres sprawności miałby przebieg poziomy – czyli sprawność pracy niezależnie od temperatur absorbera i otoczenia była by zawsze jednakowa i równa sprawności optycznej. „Zerowa” sprawność kolektora słonecznego osiągana jest, gdy straty ciepła będą równoważne wydajności cieplnej. Taka sytuacja występuje przy braku odbioru ciepła z kolektora słonecznego. Tak zwany stan stagnacji nazywany jest inaczej stanem równowagi cieplnej. Temperatura stagnacji (tstg) określa temperaturę absorbera jaka występować będzie przy braku odbioru ciepła, dla nasłonecznienia 1000 W/m2, przy temperaturze powietrza zewnętrznego 30°C. Im wyższa temperatura stagnacji, tym korzystniejsza jest konstrukcja kolektora słonecznego – większy dostęp promieniowania słonecznego do absorbera i niższe straty ciepła do otoczenia.
Współczynniki strat ciepła a1 i a2
Im większa będzie wartość współczynnika strat ciepła a1, tym bardziej nachylona będzie krzywa sprawności. Kolektor słoneczny będzie wówczas uzyskiwać niższe wydajności, gdy temperatura absorbera będzie wyraźnie wyższa od temperatury powietrza zewnętrznego. Z kolei im wyższa będzie wartość współczynnika strat ciepła a2, tym krzywa sprawności będzie bardziej wypukła. Kolektor może cechować się wtedy wysoką sprawnością pracy przy niższych temperaturach absorbera, ale tracić ją przy wzroście temperatury absorbera.
Sprawność i wydajność cieplna kolektora płaskiego i próżniowego
Kolektory próżniowe z 1-ściennymi rurami próżniowymi cechują się wysoką sprawnością optyczną. Mogą one dzięki temu mogą uzyskiwać wyższą sprawność w szerokim zakresie pracy, w porównaniu do kolektorów płaskich. Najczęściej spotykane kolektory próżniowe o 2-ściennych rurach próżniowych cechują się niskimi sprawnościami optycznymi na poziomie od 50 do 70%. Dostęp promieniowania słonecznego do absorbera jest utrudniony, poprzez 2 warstwy szkła. Izolacja cieplna takiego kolektora jest skuteczniejsza od izolacji kolektora płaskiego, ale jedynie w wąskim zakresie pracy sprawność może być wyższa. W praktyce kolektor słoneczny pracuje najczęściej w zakresie różnicy temperatury nie większym niż 60 K (np. absorber 90°C, a powietrze zewnętrzne 30°C). W tym zakresie sprawność kolektorów próżniowych z rurami 2-ściennymi będzie niższa lub co najwyżej porównywalna do sprawności kolektorów płaskich.
Wykres sprawności kolektorów słonecznych dla nasłonecznienia Eg = 1000 W/m2 wskazuje na różnice sprawności pomiędzy kolektorami próżniowymi o rurach 2-ściennych, a kolektorem próżniowym segmentu Premium jakim był oferowany przez firmę Hewalex kolektor Thermomax DF 400. Obszar wypełniony kolorem przedstawia zakres sprawności dla kolektorów płaskich Hewalex, gdzie górną granicę wyznacza wysokosprawny kolektor płaski, a dolną kolektor płaski przeznaczony do pracy w ciepłym klimacie. W podstawowym zakresie pracy (< 60 K), sprawność kolektorów płaskich jest przeważnie wyższa od sprawności popularnych kolektorów próżniowych z 2-ściennych rurach.
Od czego zależy sprawność kolektora słonecznego?
Sprawność kolektora słonecznego zależy ściśle od parametrów pracy odgrywających wpływ na jego straty cieplne. Oznacza to przede wszystkim, że efekt pracy będzie tym korzystniejszy, im niższa będzie temperatura absorbera (i zarazem różnica temperatury między absorberem, a otoczeniem). Najkorzystniejsze efekty uzyskują kolektory słoneczne pracujące w systemach niskotemperaturowych, a więc w szczególności dla podgrzewania wody basenowej.
Porównanie sprawności i wydajności cieplnej kolektora płaskiego Hewalex dla nasłonecznienia Eg = 1000 W/m2 i temperatury powietrza 30°C. Wartości określone dla temperatury absorbera 50oC oraz 80°C. Różnica w sprawności i jednostkowej wydajności cieplnej dla dwóch przypadków pracy wynosi około 18%. Wskazane jest utrzymywanie niskich temperatur ciepłej wody użytkowej, czy też wody grzewczej w systemie grzewczym budynku. Stąd Istotną rolę pełni odpowiedni dobór instalacji solarnej, w której zapewniony jest skuteczny odbiór ciepła z kolektorów słonecznych, zapewniający wysoką sprawność ich pracy. Między innym dotyczy to doboru odpowiedniej wielkości podgrzewacza pojemnościowego, ale także odpowiedniej do potrzeb powierzchni kolektorów słonecznych.