Ηλιακοί συλλέκτες: Πώς η τεχνολογία αξιοποιεί το ηλιακό φως

Ο ήλιος είναι μία ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. Η πατρίδα μας είναι ιδιαιτέρα ευνοημένη, καθώς διαθέτει υψηλή ηλιακή ακτινοβολία με μεγάλη διάρκεια ηλιοφάνειας. Η ηλιακή ενέργεια στην Ελλάδα είναι ίσως η σημαντικότερη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας που διαθέτει, καθώς και βασικός ενεργειακός πλούτος της.

Ηλιακή ενέργεια

Ως ηλιακή ενέργεια ορίζουμε τις διάφορες μορφές ενέργειας με πηγή προέλευσης τον ήλιο, όπως το φως (φωτεινή ενέργεια), την θερμότητα (θερμική ενέργεια) αλλά και άλλες μορφές ακτινοβολίας (ενέργεια ακτινοβολίας). Οι διάφορες σε ισχύ τεχνολογίες εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας έχουν την δυνατότητα να καλύψουν τις ενεργειακές ανάγκες ενός κτιρίου σε θέρμανση, ψύξη, ζεστό νερό χρήσης, αλλά και σε ηλεκτρισμό, χωρίς τις αρνητικές επιπτώσεις των αερίων του θερμοκηπίου που παράγονται από την καύση των συμβατικών καύσιμων.

Τρεις είναι οι βασικές κατηγορίες εφαρμογών: τα παθητικά ηλιακά συστήματα, τα ενεργητικά ηλιακά θερμικά συστήματα, (ηλιοθερμικά) και τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Τα παθητικά και τα ενεργητικά ηλιακά θερμικά συστήματα εκμεταλλεύονται τη θερμότητα που εκπέμπεται από τον ήλιο, ενώ τα φωτοβολταϊκά συστήματα μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρικό ρεύμα.

Η παραγωγή ζεστού νερού χρήσης με ηλιακούς θερμοσίφωνες είναι η πιο παλιά και πιο διαδεδομένη τεχνολογία εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας και έχει εφαρμοστεί εδώ και πολλά χρόνια, ενώ η χρήση ηλιακών συστημάτων για θέρμανση και ψύξη είναι μια τεχνολογία εφαρμόζεται μόλις τα τελευταία χρόνια.

Ηλιακοί συλλέκτες

Οι ηλιακοί συλλέκτες (ή καθρέπτες), είναι η επιφάνεια που απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία και ζεσταίνει συνήθως νερό ή αέρα.

Διακρίνονται σε:

• Επίπεδους συλλέκτες με κάλυμμα
• Επίπεδους χωρίς κάλυμμα
• Σωλήνες κενού

Οι επίπεδοι συλλέκτες με κάλυμμα αποτελούνται από:

• Τον απορροφητή (πλάκα συλλογής) της ακτινοβολίας.
• Τους σωλήνες ροής του προς θέρμανση ρευστού.
• Το κρύσταλλο κάλυψης της πλάκας απορρόφησης.
• Το θερμομονωμένο πλαίσιο.

Λειτουργία ηλιακών συλλεκτών

Η λειτουργία των συλλεκτών βασίζεται στο φαινόμενο του θερμοκηπίου που αναπτύσσεται μεταξύ πλάκας απορρόφησης και γυάλινης επικάλυψης. Η ηλιακή ακτινοβολία πέφτει στην μαύρη απορροφητική επιφάνεια της πλάκας και ανεβάζει τη θερμοκρασία της. Η πλάκα με τη σειρά της εκπέμπει μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία, δηλαδή θερμική ακτινοβολία, για την οποία το τζάμι που καλύπτει την πλάκα είναι σχεδόν αδιαπέραστο.

Με αυτό τον τρόπο η μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία (θερμική) παγιδεύεται ανάμεσα στην πλάκα και το τζάμι, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η θερμοκρασία της πλάκας. Σε στενή επαφή με την πλάκα είναι οι σωλήνες που κυκλοφορεί το θερμικό ρευστό (υγρό ή αέριο) η θερμοκρασία του οποίου αυξάνεται, απορροφώντας θερμότητα την οποία μεταφέρει για να παραληφθεί ανάλογα με την εφαρμογή.

Οι παράγοντες που επηρεάζουν την καλή απόδοση ενός συλλέκτη είναι:

• Η μεγάλη απορροφητικότητα της πλάκας στην ηλιακή ακτινοβολία.
• Ο μικρός συντελεστής εκπομπής της πλάκας στη μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία.
• Η μεγάλη αδιαφάνεια του κρυστάλλου στη μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία.

Τα υλικά που συνήθως χρησιμοποιούνται στις κατασκευές είναι γυαλί με μικρή περιεκτικότητα σιδήρου, και για τον απορροφητή το αλουμίνιο ή ο χαλκός που βάφονται με μαύρο ματ χρώμα, μικρής περιεκτικότητας σε λάδι (απλοί ηλιακοί συλλέκτες).

Για μεγαλύτερη απορροφητικότητα στο χαλκό μπορεί να γίνει επίστρωση τιτανίου (επιλεκτικοί – selective). Οι θερμοκρασίες που μπορούμε να φτάσουμε είναι της τάξεως των 40 – 150ο C, ανάλογα με τον τύπο του συλλέκτη.

Οι ηλιακοί συλλέκτες βρίσκουν εφαρμογές σε:

• Θέρμανση νερού χρήσης lΘέρμανση χώρων
• Αφαλάτωση
• Ηλιακή ψύξη (συστήματα απορρόφησης)
• Ξήρανση προϊόντων και άλλες γεωργικές εφαρμογές.

Η παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύς των ηλιακών συλλεκτών ξεπέρασε τις 200 GWth το 2015. H συνολική ισχύς των εγκατεστημένων των συλλεκτών στην Ε.Ε. υπολογίζεται στα 40 GW, με τη Γερμανία να έχει εγκατεστημένο το μεγαλύτερο ποσοστό των συλλεκτών της ευρωπαϊκής αγοράς, σχεδόν όσο η Αυστρία, η Γαλλία, η Ελλάδα, η Ιταλία και η Ισπανία μαζί.

Αν εγκαταστήσουμε επίπεδους επιλεκτικούς ηλιακούς συλλέκτες, με επιφάνεια ίση με το 15- 20% του εμβαδού του θερμαινόμενου χώρου, επιτυγχάνουμε περίπου 40% κάλυψη των συνολικών αναγκών μιας κατοικίας σε θέρμανση και ζεστό νερό.

Εκτός από τους επίπεδους συλλέκτες υπάρχουν και άλλοι τύποι, όπως είναι:

α) Συλλέκτες κενού. Απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία καλύτερα από τους επίπεδους συλλέκτες, φθάνοντας σε μεγαλύτερες τελικές θερμοκρασίες. Αποτελούνται από συστοιχία γυάλινων σωλήνων εντός των οποίων υπάρχει κενό αέρος προς επίτευξη εξαιρετικής θερμομόνωσης. Στο εσωτερικό του σωλήνα βρίσκεται η απορροφητική επιφάνεια, συνήθως μαύρου χρώματος. Σε επαφή με την απορροφητική επιφάνεια έρχεται χάλκινος σωλήνας εντός του οποίου ευρίσκεται το υγρό μεταφοράς της θερμότητας. Το υγρό αυτό θερμαινόμενο εξατμίζεται και ανεβαίνει στην κεφαλή συναλλαγής θερμότητας. Εκεί αποδίδει τη θερμότητά του, ψύχεται, υγροποιείται και κατεβαίνει στο σωλήνα για να συνεχιστεί ο κύκλος. Οι συλλέκτες κενού λειτουργούν αποτελεσματικά ακόμα και τις μέρες με αραιή συννεφιά.

β) Ηλιακοί συλλέκτες χωρίς κάλυμμα για θέρμανση κολυμβητικών δεξαμενών. Έχουν εφαρμογή σε κολυμβητικές πισίνες, γιατί εκεί η απαιτούμενη θερμοκρασία είναι σχετικά χαμηλή (25°C). Δεν απαιτείται πρόσθετος εξοπλισμός (μονάδα αποθήκευσης, εναλλάκτες θερμότητας που αυξάνουν το κόστος κατασκευής). Η τιμή τους είναι χαμηλή (60-100 ευρώ / m2 ) και ο χρόνος απόσβεσης μικρός, ενώ η απαιτούμενη επιφάνεια των ηλιακών συλλεκτών είναι περίπου το 80% της επιφάνειας της πισίνας.

Σε περίπτωση χρήσης επίπεδων συλλεκτών η απαιτούμενη επιφάνεια είναι το 60% της επιφάνειας της πισίνας, το κόστος κτήσης όμως είναι πολύ μεγαλύτερο. Για να αποδώσουν ικανοποιητικά απαιτούν καλή ηλιοφάνεια, γι’ αυτό συνδυάζονται με βοηθητική πηγή θέρμανσης για τις μέρες με συννεφιά. Στον πίνακα 1 γίνεται σύγκριση διαφόρων τύπων ηλιακών συλλεκτών.

Το όφελος για το περιβάλλον

Με τη χρήση της ηλιακής ενέργειας, αποφεύγεται η κατανάλωση συμβατικών καυσίμων (στερεών, υγρών και αερίων). Το όφελος για το περιβάλλον από τη χρήση ηλιακών θερμικών συστημάτων προκύπτει από την εξοικονόμηση ενέργειας και κατ’ επέκταση από τη μείωση των εκπομπών αέριων του θερμοκηπίου.

Για παράδειγμα, από τη χρήση ενεργητικών ηλιακών συστημάτων μπορούμε να έχουμε:

• Εξοικονόμηση καυσίμων ισοδύναμη με 50-70 kg πετρελαίου / m2 συλλέκτη το χρόνο.
• Μείωση εκπομπών πάνω από 750 kg CO2 / m2 συλλέκτη το χρόνο σε περίπτωση υποκατάστασης ηλεκτρικού ρεύματος.
• 250kg CO2 / m2 συλλέκτη σε περίπτωση υποκατάστασης πετρελαίου.

Δείτε τα σχήματα του άρθρου στο τεύχος του «Θερμοϋδραυλικού», Απρίλιος 2019.