Jak optymalnie ustawić kolektor?

Optymalne ustawienie kolektorów jest w dalszym ciągu marginalizowane przez instalatorów oraz projektantów. Panuje przekonanie, że jeżeli tylko dom posiada połać dachu skierowaną na południe pod kątem 20 ^o – 40 ^o to z pewnością ustawienie będzie odpowiednie niezależnie od przeznaczenia instalacji słonecznej.

W przypadku pozyskiwania energii ze słońca zasadniczym problemem jest nierównomierny rozkład energii słonecznej docierającej do ziemi w poszczególnych miesiącach. Dlatego też pojawiają się głosy mówiące że instalacja kolektorów słonecznych powinna znajdować się na ścianie gdzie ilość energii docierającej do kolektorów w mniejszym stopniu ulega zmianie z miesiąca na miesiąc. 

Z powyższego wykresu wynika, że w polskich warunkach klimatycznych zimą dociera do Ziemi prawie 8 razy mniej energii niż w okresie lata.

Głównym założeniem, przy optymalizacji ustawienia kolektorów powinno być zwiększenie energii docierającej do solarów w okresie ich pracy oraz wyrównanie poziomu docierającej energii. Jeżeli instalacja jest całoroczna celem optymalizacji powinno być niwelowanie różnic w energii, jaka dociera do kolektorów w poszczególnych miesiącach. Samo zwiększanie sumy rocznej energii w wielu przypadkach mija się z celem. Przy tak dużych dysproporcjach w energii, jaką otrzymuje instalacja w poszczególnych okresach, efektywne wykorzystanie energii przez kolektory słoneczne może nastąpić jedynie, gdy uda nam się zwiększyć ilość pozyskiwanej energii w okresie zimowym nawet kosztem strat w okresie letnim.

W jakim stopniu jesteśmy w stanie zwiększać lub zmniejszać energię słoneczną docierającą do kolektora w stosunku do energii docierającej do powierzchni horyzontalnej w poszczególnych porach roku?

Jeżeli stosunek energii padającej na m2 pochylonego kolektora do energii padającej na m2 powierzchni horyzontalnej (nie pochyłej) nazwiemy współczynnikiem „f” to celem optymalnego ustawienia kolektora będzie maksymalne zwiększenie tego współczynnika w okresie pracy instalacji.

Przeanalizujmy zmiany współczynnika „f” w poszczególnych miesiącach przy różnym kącie nachylenia kolektora.

Gdzie f = Energia padająca na m2 powierzchni pochyłej kolektora/Energia padająca na m2 powierzchni horyzontalnej

Z powyższych grafik wynika kilka interesujących prawidłowości.

- Każde pochylenie kolektora powoduje spadek docierającego do niego promieniowania rozproszonego. Przy ustawieniu kolektora pionowo (pod kątem 90^o) otrzymuje on zaledwie połowę energii, która dociera do równoważnej powierzchni horyzontalnej.

- Pochylenie kolektora przy jednoczesnej ekspozycji na południe powoduje silny wzrost docierającego do niego promieniowania bezpośredniego w okresie zimowym. Wzrost docierającej energii promieniowania bezpośredniego wiąże się ze wzrostem kąta pochylenia. Przykładowo dla szerokości geograficznej 52 ^o przy 20 ^o pochyleniu wzrost dla grudnia wyniósł 2,7 (2,7 x energia dla powierzchni horyzontalnej) natomiast przy kącie 75 ^o był maksymalny i wyniósł ponad 5 (5 x energia dla powierzchni horyzontalnej).

- W okresie od pierwszego dnia jesieni do pierwszego dnia wiosny maksymalna ilość energii promieniowania bezpośredniego będzie docierać do kolektora przy jego pochyleniu o kąt 90 ^o-wysokość górowania Słońca w danym miesiącu

- W okresie letnim w polskiej szerokości geograficznej jedynie kilku stopniowe pochylenie kolektora daje niewielki wzrost padającego promieniowania bezpośredniego. Natomiast na ogół każde pochylenie kolektora w okresie letnim wiąże się ze spadkiem docierającej do niego energii w stosunku do powierzchni horyzontalnej.

Podane prawidłowości wynikają z pozornej wędrówki Słońca, po nieboskłonie, która zmienia się wraz z porami roku. Co dla wielu może wydawać się nielogiczne to spadek energii docierającej do pochylonego kolektora w okresie letnim? I dlaczego w tym przypadku nieprawdziwa jest zasada, że optimum zysku solarnego uzyskuje się przy kącie 90 ^o-wysokość górowania w danym miesiącu?

Aby zrozumieć tą prawidłowość przyjrzyjmy się grafice obrazującej wędrówkę słońca po nieboskłonie.

Wędrówka Słońca po nieboskłonie w poszczególnych porach roku

Mimo iż większości z nas wydaje się, że Słońce wstaje na wschodzie i zachodzi na zachodzie nie jest to do końca prawdą. Jedynie dwa razy w roku możemy obserwować wschód słońca dokładnie na wschodzie a zachód na zachodzie. W pozostałych dniach mamy do czynienia ze wschodem słońca od północnego wschodu aż po południowy wschód. To samo dotyczy zachodu.

W lecie słońce wschodzi daleko na północnym wschodzie nieba a zachodzi na północnym zachodzie. Z grafiki wynika, że pierwszego dnia lata kolektor skierowany na południe pod kątem 30 ^o nie będzie oświetlany przez ok. 6 godzin (od żółtego słoneczka do czerwonej kropki i od czerwonej kropki do czerwonego słoneczka). Stanie się tak, dlatego gdyż Słońce wzejdzie za kolektorem i dopiero po kilku godzinach zacznie oświetlać jego powierzchnię. To samo będzie wieczorem, kiedy to przez kilka godzin pochylony kolektor nie będzie oświetlony gdyż Słońce będzie tych kilka godzin za kolektorem. Te duże straty wynikające z braku oświetlenia kolektora rano i wieczorem niwelują zyski wynikające z bardziej bezpośredniego oświetlenia go w ciągu dnia.

W okresie zimowym mamy zupełnie odmienną sytuacje. Słońce wstaje i zachodzi po południowej stronie nieba (patrz grafika). W tym okresie każde pochylenie kolektora będzie powodować zwiększenie docierającej do niego energii.

Zgodnie z przeprowadzoną analizą w zależności od typu instalacji powinien być inny kąt, pod jakim będą zamontowane kolektory.

Typ instalacji słonecznej a pochylenie kolektora.

Z przedstawionej powyżej analizy wynika, że ustawiając kolektor pod odpowiednim kątem możny znacznie zwiększać ilość docierającej do niego energii w okresie zimowym. Z drugiej strony ustawiając kolektory pod optymalnym kątem dla okresu zimowego tracimy znaczne ilości energii w okresie letnim. Z tych zależności jasno wynika, że przy wyborze kąta, pod jakim zamontujemy kolektor musimy wziąć po uwagę okres pracy instalacji.

1. Jeżeli instalacja będzie podgrzewać ciepłą wodę użytkową lub basen tylko w sezonie letnim najlepiej ustawić kolektory pod kątem w przedziale 0-20^o Zysk energii będzie znikomy, ale w lecie przynajmniej nie nastąpi jej spadek.

2. Jeżeli instalacja solarna planowana jest do całorocznego podgrzewania CWU optymalnym ustawieniem jest zakres kątów 55 ^o -65 ^o. Zyskujemy znacznie zwiększenie ilości energii docierającej do kolektora w zimnie, także sporo więcej mamy wiosną i jesienią. W lecie następuje nieznaczny spadek energii docierającej do kolektora, który bez problemu jest kompensowany, znacznie większym nasłonecznieniem w tym okresie.

3. Jeżeli instalacja oprócz CWU ma także wspomagać centralne ogrzewanie jedynym sensownym ustawianiem jest pochylenie kolektorów w zakresie kątów 75-85^o. Przy takim ustawieniu mamy maksymalny zysk energii w okresie zimowym, czyli w czasie, gdy potrzebujemy najwięcej energii. Z uwagi, że dla okresu letniego przy takim ustawieniu znacznie ograniczamy ilość docierającej do kolektorów energii nie narażamy instalacji na długie okresy stagnacji. Natomiast znacznie przewymiarowana instalacja projektowana do wspomaganie, CO w zupełności poradzi sobie z podgrzewaniem wody jedynie na potrzeby ciepłej wody użytkowej w okresie letnim.

Opracował :
Bogdan Szymański
Kolektorek.pl