În cazul colectoarelor solare, se utilizează procesul fizic de transformare a energiei luminoase în energie termică. Se face o distincție între colectoarele plate și colectoarele cu tuburi vidate. Diferă, de asemenea, în ceea ce privește construcția absorbantelor și izolarea față de mediul înconjurător sau față de aerul exterior.

Pentru ca colectoarele să producă cel mai mare randament termic posibil, sunt deosebit de importante selectarea corectă a tipului de colector în funcție de aplicație (încălzire a apei calde menajere, încălzire de rezervă), orientarea spre soare și integrarea hidraulică corectă în sistem.

Colectoare plate

Un colector plat este alcătuit dintr-o carcasă din lemn și metal cu izolație termică, un capac din sticlă, plastic sau folie, într-o garnitură de sticlă rezistentă la intemperii și la razele UV (cadru metalic) și un absorbant, care este disponibil în diferite modele și acoperiri. Acest design al colectorului solar creează un efect de seră în colector care, în combinație cu calitatea capacului transparent și a absorbantului (strat de acoperire, traseul țevilor și designul plăcilor), conduce la un grad ridicat de eficiență. Nucleul colectorului cu plăci plate este absorbantul, o placă neagră prin care trece un fluid de transfer de căldură (fluid solar). Pentru a menține pierderile de căldură la un nivel scăzut, există o izolație termică rezistentă la căldură (vată minerală sau de rocă) în spatele și pe părțile laterale ale absorbantului. Absorbantul poate fi realizat din plăci cu suprafață completă sau în formă de bandă (absorbante cu suprafață completă sau cu aripioare). În cazul absorbantelor pe toată suprafața, conducta

poate fi trasată într-un model meandrat pe întreaga suprafață a absorbantului și poate asigura o absorbție foarte fiabilă a căldurii, deoarece fluidul solar este trasat doar printr-o singură conductă. Absorbantele cu aripioare sunt formate din benzi de absorbție, la fiecare dintre acestea fiind atașată o țeavă de absorbție dreaptă, care sunt aduse împreună în formă de harpă (în formă de registru).  În condiții normale de funcționare, amortizoarele de harpă au o pierdere de presiune relativ scăzută, dar pot fi distribuite neuniform.

pierderi de presiune în condiții normale de funcționare, dar debitul prin ele poate fi neuniform.

Colector solar pentru piscine

Absorbitor solar pentru încălzirea apei din piscină (sistem cu 2 tuburi cu bucle și sistem cu 3 tuburi)

Sursa: Krülland Wassertechnologie GmbH

Temperatura piscinei care poate fi obținută într-o zi însorită, în funcție de raportul dintre suprafața absorbantului și suprafața apei.

Utilizarea energiei solare este deosebit de favorabilă pentru încălzirea piscinelor. Încălzirea piscinelor în aer liber este deosebit de profitabilă atunci când cererea de energie și oferta de radiații solare coincid în mare măsură. În plus, amortizoarele sunt foarte ușor de instalat.

Absorbantele pentru încălzirea piscinelor nu necesită un capac transparent sau o carcasă pentru a reduce pierderile de căldură. Deoarece absorbantele din plastic realizate din EPDM (cauciuc de etilenă propilenă dienă) sunt traversate direct de apa din piscină, pierderile de transfer de căldură sunt foarte mici.

În piscinele publice în aer liber, se poate planifica o încălzire suplimentară dacă fluctuațiile de temperatură ale apei din piscină nu sunt acceptabile. Piscinele private în aer liber ar trebui să funcționeze fără încălzire suplimentară, dacă este posibil. Cu toate acestea, deoarece frecvența de utilizare a piscinelor în aer liber este oricum scăzută pe vreme rea fără soare, încălzirea suplimentară ar trebui, de asemenea, limitată în piscinele publice în aer liber.

Acoperirea suprafeței apei în afara orelor de utilizare reduce pierderile prin evaporare și radiație și economisește energie “gratuită”, în special atunci când se dorește o temperatură a piscinei de aproximativ 25 °C.

Colectorii solari normali sunt mai potriviți pentru încălzirea apei din piscinele interioare, deși în lunile de vară căldura în exces poate fi folosită și pentru încălzirea apei potabile. În acest caz, lichidul din circuitul colectorului este separat de circuitul apei din piscină printr-un schimbător de căldură din oțel inoxidabil sau plastic.

În lunile mai-septembrie, pot fi utilizate peste 70 % din orele de soare anuale. Raportul dintre suprafața apei din piscină și suprafața absorbantă (colectorul de energie solară fără geamuri) trebuie să fie proiectat astfel încât apa din piscină să poată fi încălzită cu aproximativ 4 până la 10 K, în funcție de lună.

La o temperatură dorită a apei de aproximativ 22 – 24 °C în lunile mai și septembrie și de aproximativ 26 °C vara, se recomandă o suprafață de absorbție de aproximativ 80 % din suprafața apei. În cazul în care se dorește o temperatură mai ridicată, în special în perioada de tranziție, suprafața de absorbție poate fi mărită la 120 %.

Regula de bază:

Suprafața absorbantului = suprafața apei!

Suprafața minimă a absorbantului = 40 % din suprafața apei.

Max. Suprafața absorbantului = 120 % din suprafața apei

Colectoare cu tuburi vidate

În cazul colectorului tubular, absorbantul este instalat într-un tub de sticlă plasat în vid (evacuat). Deoarece vidul are proprietăți bune de izolare termică, pierderile de căldură sunt mai mici decât în cazul colectoarelor plate, în special la temperaturi ridicate. Se face o distincție între colectorii cu tehnologie heat pipe (tehnologie heat pipe) și cei cu flux direct.

În cazul colectoarelor cu tuburi vidate, fiecare tub vidat poate fi rotit de-a lungul axei sale longitudinale. Acest lucru le permite să fie aliniate în mod optim cu soarele. Cu toate acestea, este posibilă și rotirea lor în afara soarelui, ceea ce este cazul sistemelor de încălzire auxiliară în timpul funcționării de vară. Acest lucru se datorează faptului că aceste sisteme sunt întotdeauna proiectate mult prea mari doar pentru încălzirea apei calde menajere în timpul verii. Rezultatul este că aceste sisteme intră în stagnare la temperaturi ridicate. În multe cazuri, alinierea tuburilor cu suprafețele absorbante face inutilă disiparea excesului de căldură prin soluții fără sens (piscină, radiatoare pe peretele exterior sau în subsol) sau prin umbrire.

În sistemul de conducte de căldură, o conductă de absorbție umplută cu apă sau metanol este utilizată ca o conductă de căldură. Absorbantul este încălzit de radiația solară, apa sau metanolul din conducta de căldură se evaporă, iar căldura este transportată în sus, într-un condensator, unde eliberează căldura către fluidul de transfer termic. Apa sau metanolul condensat curge înapoi în conducta de căldură și transportul de căldură începe din nou. Acest proces necesită un anumit unghi de atac al colectorului pentru ca transportul de căldură de la tub la condensator să poată avea loc.

Principiul gravitației – conducta de căldură și flux direct – Sursa: Viessmann Deutschland GmbH

În cazul absorbantului cu aripioare, absorbantul este format dintr-o aripioară plată cu un tub de absorbție sudat. În cazul colectoarelor cu tuburi de vid cu flux direct, agentul de transfer de căldură circulă direct în tuburile absorbante, în interiorul tuburilor. Prin urmare, acestea sunt deosebit de potrivite pentru instalare în orice poziție. În cazul tuburilor cu debit direct, se utilizează un tub coaxial (tub în tub). În conducta interioară, mediul de transfer de căldură este introdus în tub din fluxul de retur, iar fluidul solar este returnat prin conducta exterioară sudată la absorbant și încălzit în acest proces. În cazul heatpipes, se folosește un singur tub închis în partea de jos.

În cazul absorbantelor din sticlă rotundă, două tuburi de sticlă situate unul în interiorul celuilalt sunt sudate împreună și evacuate. Absorbantul este depus în stare de vapori pe tubul interior de sticlă. Căldura absorbită este transferată către mediul de transfer de căldură prin intermediul plăcilor conducătoare de căldură și a tuburilor absorbante introduse în acestea. Pentru a putea utiliza radiația de pe partea din spate a absorbantului, acesta trebuie să fie echipat cu o oglindă.

În cazul unui absorbitor cu aripioare, absorbantul este format dintr-o aripioară plată cu un tub de absorbție sudat. În cazul colectoarelor cu tuburi de vid cu flux direct, mediul de transfer de căldură circulă direct în tuburile absorbante, în interiorul tuburilor. Prin urmare, acestea sunt deosebit de potrivite pentru instalare în orice poziție. În cazul tuburilor cu debit direct, se utilizează un tub coaxial (tub în tub). În conducta interioară, mediul de transfer de căldură este introdus în tub din fluxul de retur, iar fluidul solar este returnat prin conducta exterioară sudată la absorbant și încălzit în acest proces. În cazul heatpipes, se folosește un singur tub închis în partea de jos.

Condensatoarele sunt disponibile în conexiuni umede și uscate. În cazul conexiunii uscate, condensatorul este în contact cu un bloc metalic prin care circulă agentul termic. În cazul unei conexiuni umede, condensatorul este amplasat direct în fluidul solar.

Absorbant – Definiții de suprafață pentru colectoare solare

În fizică, absorbția este transformarea luminii în căldură într-un corp solid. Un corp negru ideal transformă complet lumina în căldură. În cazul colectoarelor solare, suprafața absorbantului iradiată de lumină este cel mai important parametru de proiectare pentru căldura care poate fi extrasă din lumina solară.

Pentru a putea compara diferitele modele de colectoare în ceea ce privește datele de performanță, au fost introduse definiții ale suprafețelor în standardele europene (DIN EN 12975 – Sisteme solare termice și componentele acestora).

Zona absorbantului

Suprafața absorbantului este suprafața totală a absorbantului care nu este umbrită și care poate fi iradiată de lumină. Pentru suprafețele plane (dreptunghiuri), suprafața superioară neagră. În cazul absorbantelor cilindrice, întreaga suprafață a învelișului cilindric negru.

Zona de deschidere

Zona de deschidere (zona de incidență a luminii) este proiecția pe suprafață a zonei de incidență a luminii pe absorbant.

Într-un colector plat, suprafața de deschidere este suprafața din interiorul cadrului colectorului (geamul de sticlă) prin care lumina poate ajunge la absorbant. În cazul colectoarelor cu tuburi vidate (cu absorbanți plane sau rotunde, fără suprafețe reflectorizante), suprafața deschiderii este suma secțiunilor longitudinale ale tuturor tuburilor de sticlă. Deoarece în partea de sus și de jos a tuburilor există zone mici fără plăci absorbante, suprafața de deschidere a acestor colectoare este întotdeauna puțin mai mare decât suprafața absorbantă. În cazul colectoarelor tubulare cu suprafețe reflectorizante în spatele lor, proiecția acestei suprafețe reflectorizante este definită ca suprafață de deschidere.

Suprafața brută a colectorului

Dimensiunile exterioare ale unui colector se numesc suprafața brută a colectorului. Acesta nu are nicio semnificație pentru performanța unităților sau pentru evaluarea acestora. Dimensiunile exterioare sunt necesare pentru planificarea instalării și, parțial, pentru solicitarea de subvenții.