Kolektory słoneczne są urządzeniami grzewczymi wykorzystującymi zjawisko konwersji fototermicznej, czyli zamianę promieniowania słonecznego na energię cieplną. A ponieważ każda forma zamiany lub transportu ciepła wymaga zastosowania odpowiednich systemów izolacyjnych (wiąże się z tym sprawność energetyczna urządzenia), w systemach solarnych muszą być stosowane specjalne materiały izolacyjne.
Kolektor słoneczny jako rozwiązanie użytkowe został opatentowany w 1891 r. w USA. Pierwsze kolektory miały prymitywną izolację polegającą na osłonie elementów metalowych drewnianą obudową z przegrodą szklaną. Rozwiązanie to przetrwało do 1973 r., kiedy wybuchł pierwszy światowy kryzys energetyczny. Dokonano wówczas modyfikacji tych urządzeń – kolektory skrzynkowe zostały spłaszczone, drewnianą obudowę zamieniono na aluminiową, a do jej wnętrza włożono grubą warstwę wełny mineralnej (10–15 cm w zależności od typu rozwiązania) jako izolację (fot. 1). Kolektor od góry wyposażony został w przegrodę szklaną, pod szybą natomiast umieszczono miedziany poczerniony absorber do przechwytywania promieniowania słonecznego. Od spodu absorbera zamontowano miedziane rurki do transportu czynnika roboczego (związki glikolu lub alkoholu) odbierającego ciepło i przekazującego je do wymiennika pojemnościowego. Od spodu i po bokach w aluminiowej skrzynce zastosowano warstwę izolacyjną zabezpieczającą przed stratami ciepła do otoczenia.
Fot. 1. Płaski kolektor słoneczny z izolacją z wełny mineralnej
Z biegiem czasu warstwa izolacyjna z wełny mineralnej zastępowana była pianką poliuretanową, poliestrową, styropianem lub też zestawami warstwowymi. Producenci zaczęli też przywiązywać wagę do optymalnego doboru izolacji transparentnej, czyli przegrody szklanej. Najbardziej trafne okazały się pierwsze rozwiązania – z zastosowaniem jednej warstwy szybowej – gdyż im większa liczba szyb, tym większa ilość odbitej energii słonecznej, a więc tym mniej energii dociera do absorbera. Sprawność kolektora płaskiego z jedną przegrodą szklaną wynosi 72–78% przy szkle o grubości 3–4 mm. Jednak lepsze efekty izolacyjne uzyskuje się w kolektorach próżniowych, gdzie izolację stanowi wysoka próżnia, a powłoka szklana ma grubość 0,8 mm. Straty ciepła w instalacjach słonecznych wynikają ze strat na poszczególnych elementach układu solarnego. Największe straty występują na elementach instalacji słonecznej znajdującej się na zewnątrz budynku, co wynika z oddziaływania różnych warunków atmosferycznych, a przede wszystkim wiatru, który może w krótkim czasie odebrać znaczną ilość zgromadzonego ciepła. Z tego powodu bardzo ważne są nie tylko izolacje w samych kolektorach, lecz także izolacje elementów łączących kolektory i separator lub odpowietrznik na wypływie z kolektorów. Miejsce wypływu czynnika roboczego z kolektora jest najbardziej gorącym elementem układu solarnego. Latem na wylocie z kolektora temperatura może wynosić od +125 do +135°C, zimą zaś od +30 do +45°C. Zastosowana izolacja powinna zatem wytrzymywać duże różnice temperatur. Takie właściwości ma elastomer typu HT. Co ciekawe, mało osób wie, że jest to polski wynalazek z lat 70. grupy inżynierów z Pafawagu z Wrocławia. Izolacja instalacji na odcinku zlokalizowanym na zewnątrz budynku powinna mieć grubość min. 12 mm, optymalnie 19 mm, grubość pozostałej części izolacji może wynosić 9 mm. Izolacje powinna się znajdować zarówno na instalacji wylotowej (tzw. zasilanie), jak i instalacji dolotowej (powrót).W praktyce spotyka się rurowe osłony izolacyjne jako zwarte izolacje rurowe. Aby założyć taką izolację na zainstalowany układ grzewczy, należy ją rozciąć, nie ma ona jednak żadnych elementów do zamknięcia połączenia. Jedyną skuteczną metodą właściwego zaizolowania jest więc właściwy dobór grubości izolacji do średnicy rury izolowanej, ale także właściwe dociśnięcie ścianek i ich sklejenie zbrojoną taśmą poliuretanową (najlepiej w tym samym kolorze – czarnym). Na elementach metalowych o różnych kształtach (np. na śrubunku) można zastosować izolację o większej grubości, a całość zabezpieczyć taśmą izolacyjną. Do tego celu można też wykorzystać kleje szybkowiążące, jednak wymaga to bardzo dużej wprawy, bardzo dokładnego rozcinania rur i właściwego posługiwania się klejem. W instalacjach słonecznych stosowane są również specjalne spinki łączące rozcięcie izolacji, jednak nie sprawdzają się one w miejscach narażonych na działanie czynników atmosferycznych – z biegiem czasu powstają w nich rozwarstwienia, czyli, mówiąc potocznie, dziury w izolacji.
Brak kawałka izolacji na rurze na dachu może osłabić wydajność instalacji słonecznej. Należy też pamiętać, że brak izolacji na rurze wylotowej powoduje zakłócenie pracy czujki pomiarowej na tym odcinku, gdzie pod wpływem działania wiatru i deszczu, a zimą śniegu i lodu, mogą powstać zafałszowane wyniki w działaniu sterownika, a tym samym pracy instalacji słonecznej (fot. 2).
Fot. 2. Kolektor rurowy (nie mylić z próżniowym) z wylotem instalacji solarnej bez izolacji. Obokwidoczny kabel do sondy termicznej.
Nie wszyscy instalatorzy stosują właściwą izolację rur instalacji słonecznych (fot. 3). Czasami używają do tego celu zwykłej izolacji poliuretanowej o odporności na temperaturę +95°C (fot. 4). W wyniku jej zastosowania oraz w zetknięciu ze zjawiskiem tzw. przegrzania instalacji słonecznej (definicja autora) następuje stopienie izolacji. Takie błędy ostatnio pojawiają się dość często, szczególnie w izolacjach instalacji wykonywanych w małych miejscowościach, gdzie brakuje profesjonalnych firm, a zaopatrzenie w materiały specjalistyczne jest dość trudne. Ponadto należy zwrócić uwagę, że lepsza jakość oznacza wyższą cenę. Warto jednak zastosować izolację droższą, ale skutecznie zabezpieczającą instalacje słoneczne.
Fot. 3. Właściwy rodzaj izolacji – czarny elastomer HT na wszystkich elementach rur solarnych. W głębi instalacja c.o. z izolacją z szarej pianki polietylenowej. Zbiornikpojemnościowy z niebieskim pokrowcem izolowany wełną mineralną. Zespół pompowy wraz z osprzętem nieizolowany.
Fot. 4. Przykład zastosowania w instalacji dwóch rodzajów izolacji: czarnego elastomeru HT (zasilanie) oraz szarego polietylenu (powrót).
Należy zaznaczyć, że energia słoneczna przekazywana jest do zasobnika pojemnościowego, gdzie gromadzona jest przez kilka godzin. Zbiorniki mają różną budowę i różny rodzaj powłok termicznych. W praktyce izolacja termiczna zbiornika nie powinna powodować zmniejszenia temperatury o więcej niż 1°C na dobę.Współczynnik przewodzenia ciepła izolacji przy średniej temperaturze +10°C według normy DIN 52613 powinien wynosić λ10 = 0,038 W/(m2·K), natomiast współczynnik oporu przeciw dyfuzji pary wodnej µ ≥10 000 w zakresie temperatur od –40°C do +175°C.* * *Zastosowanie izolacji w instalacjach słonecznych przynosi duże oszczędności i energii, i pieniędzy. Można je także traktować jako sposób na zwiększenie sprawności instalacji solarnej dzięki zminimalizowaniu strat termicznych.ŹRÓDŁO:izolacje.com.plWięcej informacji znajdziesz tutaj.
krzysztofwidlak