Ogrzewanie wody za pomocą paneli słonecznych jak to działa w praktyce?

Ogrzewanie wody za pomocą paneli słonecznych opiera się na przekształceniu energii słonecznej w ciepło, które następnie jest wykorzystywane do podgrzewania wody użytkowej. System działa poprzez pochłanianie promieniowania słonecznego przez kolektor słoneczny i przekazywanie ciepła do wody za pomocą specjalnego medium – czynnika roboczego.

Podstawowa zasada działania systemu solarnego

Kolektory słoneczne to urządzenia, które pochłaniają promieniowanie słoneczne i przekształcają je w ciepło [1]. Absorber w kolektorze przechwytuje energię słoneczną, przekazuje ją do cieczy roboczej (najczęściej glikolu), która obiegając w rurach, oddaje ciepło wodzie użytkowej w zasobniku [1][3].

Proces ten rozpoczyna się od momentu, gdy promienie słoneczne padają na powierzchnię kolektora. Specjalny element zwany absorberem pochłania to promieniowanie i zamienia je na energię cieplną. Powstałe ciepło jest następnie przekazywane do czynnika roboczego, którym najczęściej jest glikol propylenowy – substancja, która nie zamarza i efektywnie przewodzi ciepło [3].

Kluczowym elementem systemu jest regulator różnicy temperatur, który monitoruje różnice temperatur między kolektorem a zbiornikiem wody. Załączenie pompy solarnej następuje przy różnicy temperatur w kolektorze i zbiorniku około 8°C, a wyłączenie przy około 4°C różnicy [2]. Taki mechanizm zapewnia optymalne wykorzystanie energii słonecznej i zapobiega niepotrzebnemu chłodzeniu wody w zbiorniku.

Kluczowe komponenty instalacji solarnej

System solarny składa się z kilku niezbędnych elementów, które współpracują ze sobą w celu efektywnego podgrzewania wody. Najważniejsze elementy to kolektor słoneczny z absorberem, nośnik ciepła (glikol), pompka cyrkulacyjna, zbiornik ciepłej wody z wężownicą oraz regulator temperatury [1][2][3].

Kolektor słoneczny z absorberem stanowi serce całej instalacji. To właśnie w tym elemencie zachodzi proces przekształcania energii słonecznej w ciepło. Absorber to specjalna powierzchnia, która charakteryzuje się wysoką zdolnością pochłaniania promieniowania słonecznego i efektywnego przekazywania ciepła do czynnika roboczego.

Pompa obiegowa odpowiada za cyrkulację czynnika roboczego w systemie. Jej działanie jest sterowane przez regulator temperatury różnicowej, który decyduje o momencie uruchomienia i wyłączenia pompy w zależności od warunków temperaturowych w różnych częściach instalacji.

Zbiornik buforowy, często nazywany biwalentnym, stanowi magazyn ciepłej wody. Typowy zbiornik biwalentny ma pojemność 250-300 litrów, gdzie instalacja solarna ogrzewa całą objętość, a kocioł głównie jej część (około 100-150 litrów) [2]. Zbiornik wyposażony jest w wężownicę – system rur spiralnych, przez które przepływa podgrzany czynnik roboczy, przekazując ciepło wodzie użytkowej.

Proces przekazywania ciepła w instalacji

Mechanizm przekazywania ciepła w systemie solarnym opiera się na zamkniętym obiegu czynnika roboczego. Promieniowanie słoneczne jest absorbowane przez kolektor i przekształcane na ciepło [1][2][3]. Ciepło ogrzewa czynnik roboczy (glikol), który pompowany jest do wymiennika ciepła w zbiorniku.

W zbiorniku ciepło jest przekazywane wodzie użytkowej poprzez wężownicę wymiennika ciepła. Ten element systemu działa na zasadzie przewodnictwa cieplnego – gorący glikol przepływając przez rury wężownicy, oddaje swoje ciepło wodzie otaczającej te rury. Po oddaniu ciepła, ochłodzony czynnik roboczy powraca do kolektora, gdzie ponownie jest podgrzewany przez energię słoneczną.

Efektywność systemu zależy od różnicy temperatur pomiędzy czynnikiem roboczym w kolektorze a wodą w zbiorniku, która jest sterowana przez regulator [2]. Gdy temperatura glikolu jest wyższa od temperatury w zbiorniku o ustaloną wartość, regulator załącza pompę, inicjując proces cyrkulacji i przekazywania ciepła.

System współpracuje z innymi źródłami ciepła, co umożliwia stabilne dostarczanie ciepłej wody niezależnie od warunków pogodowych. W okresach niskiego nasłonecznienia lub wysokiego zapotrzebowania na ciepłą wodę, dodatkowe źródło ciepła (np. kocioł gazowy lub olejowy) automatycznie włącza się, aby uzupełnić niedobory energii.

Integracja z systemami fotowoltaicznymi

Współczesne rozwiązania pozwalają na integrację instalacji solarnych z systemami fotowoltaicznymi [4]. Energia słoneczna może być wykorzystywana do podgrzewania wody na dwa sposoby: bezpośrednio poprzez instalacje solarne (kolektory cieplne) lub pośrednio przez zasilanie elektryczne grzałek z paneli fotowoltaicznych [1][4].

Standardowo do podgrzewania wody fotowoltaiką stosuje się około 6 paneli PV o mocy dostosowanej do potrzeb, wraz z inwerterem MPPT i magazynem energii, co pozwala na pracę niezależną od sieci [4]. Taki system umożliwia podgrzewanie wody także przy niskim nasłonecznieniu lub w nocy, wykorzystując energię zgromadzoną w magazynie.

Hybrydowe systemy łączące kolektory słoneczne z panelami fotowoltaicznymi oferują większą elastyczność i niezawodność. W okresach intensywnego nasłonecznienia kolektory słoneczne efektywnie podgrzewają wodę, natomiast panele fotowoltaiczne mogą zasilać pompy cyrkulacyjne, regulatory oraz magazynować energię na późniejsze wykorzystanie.

Nowoczesne rozwiązania i automatyka

Współczesne instalacje solarne charakteryzują się wyposażeniem w inteligentne regulatory i pompy [4]. Te zaawansowane systemy sterowania optymalizują pracę całej instalacji, dostosowując jej funkcjonowanie do aktualnych warunków pogodowych i zapotrzebowania na ciepłą wodę.

Inteligentne regulatory monitorują temperaturę w różnych punktach systemu, analizują dane pogodowe i przewidują zapotrzebowanie na ciepłą wodę. Na podstawie tych informacji automatycznie dostosowują parametry pracy pompy cyrkulacyjnej, optymalizując zużycie energii i maksymalizując wykorzystanie energii słonecznej.

Zastosowanie magazynów energii umożliwia podgrzewanie wody także przy niskim nasłonecznieniu lub w nocy [4]. Nowoczesne baterie mogą gromadzić nadwyżki energii wyprodukowanej przez panele fotowoltaiczne w ciągu dnia i wykorzystywać ją do zasilania grzałek elektrycznych w godzinach wieczornych lub nocnych.

Systemy zarządzania energią potrafią również przewidywać optymalne momenty podgrzewania wody, biorąc pod uwagę prognozy pogodowe, taryfy energetyczne oraz indywidualne wzorce użytkowania ciepłej wody w gospodarstwie domowym. Dzięki temu możliwe jest maksymalne wykorzystanie darmowej energii słonecznej i minimalizacja kosztów eksploatacji systemu.

Współpraca z tradycyjnymi źródłami ciepła

Praktyczne zastosowanie systemów solarnych przewiduje ich współpracę ze standardowymi źródłami ciepła takimi jak kocioł gazowy czy olejowy [2]. Ta integracja zapewnia ciągłość dostaw ciepłej wody niezależnie od warunków atmosferycznych i zapotrzebowania użytkowników.

Zbiornik biwalentny został zaprojektowany specjalnie z myślą o takiej współpracy. Posiada on dwie wężownice wymiennika ciepła – jedną podłączoną do instalacji solarnej, a drugą do konwencjonalnego źródła ciepła. System sterowania automatycznie decyduje, które źródło ciepła ma zostać uruchomione w danym momencie.

Priorytet ma zawsze instalacja solarna, jako źródło darmowej energii odnawialnej. Dopiero gdy temperatura wody spadnie poniżej zadanej wartości, a energia słoneczna nie jest wystarczająca do jej podgrzania, włącza się dodatkowe źródło ciepła. Taki sposób działania pozwala na maksymalne wykorzystanie energii słonecznej przy jednoczesnym zachowaniu komfortu użytkowania.

Inteligentne systemy sterowania potrafią również przewidywać potrzebę włączenia dodatkowego źródła ciepła na podstawie prognoz pogodowych i analizy wzorców użytkowania. Dzięki temu możliwe jest optymalne przygotowanie odpowiedniej ilości ciepłej wody z wyprzedzeniem, co zwiększa komfort użytkowania systemu.

Źródła:

[1] https://smart-eco.net/blog/kolektory-sloneczne-solary-czym-sa-zasada-dzialania-oplacalnosc
[2] https://kotly.pl/dziala-instalacja-solarna/
[3] https://nowoczesnegrzanie.pl/rozwiazanie/kolektor-sloneczny
[4] https://www.rachuneo.pl/artykuly/ogrzewanie-wody-fotowoltaika