envelope redakcja@polskiinstalator.com.pl home ul. Wąski Jar 9
02-786 Warszawa

Advertisement










14aDokładna analiza pracy słonecznego kolektora płaskiego oraz zaprojektowanie instalacji solarnej nie są – wbrew pozorom – prostym zadaniem. Wymagają znajomości zjawisk cieplnych zachodzących podczas działania tego urządzenia oraz wielu kluczowych parametrów techniczno-technologicznych wpływających na jego wydajność cieplną.

W opracowaniu podjęto zatem próbę przedstawienia budowy i zasady działania oraz sposobu obliczania instalacji pracujących w oparciu o płaskie cieczowe kolektory słoneczne z podaniem informacji na temat wytycznych ich projektowania oraz doboru podzespołów takich instalacji.

13Definiując krótko kolektor słoneczny, można powiedzieć, że jest to urządzenie, w którym następuje proces konwekcji termicznej, czyli przekazywania ciepła poprzez ruch materii w skutek różnicy temperatur. Innymi słowy: jest to swego rodzaju wymiennik ciepła, w którym następuje zamiana energii słonecznej w ciepło. Wynikiem procesu konwekcji zachodzącej w kolektorze słonecznym jest przyrost entalpii (temperatury) czynnika obiegowego (przepływającego przez kolektor) pełniącego rolę nośnika energii, który zazwyczaj przekazuje energię do zasobnika magazynującego.
Najważniejszym parametrem charakteryzującym instalację solarną jest jej sprawność, która decyduje o jej mocy w danych warunkach pracy. Sprawność kolektora słonecznego przesądza o ilości ciepła (energii), jaką możemy uzyskać. Moc kolektora słonecznego zależy od wartości natężenia promieniowania słonecznego, to znaczy, że wraz ze wzrostem promieniowania słonecznego i temperatury otoczenia rośnie sprawność kolektora słonecznego pracującego w instalacji solarnej. O sprawności, jak również o mocy kolektora decydują również materiały, z jakich jest on wykonany. Istnieje wiele wariantów słonecznych instalacji przygotowania c.w.u. Można wprowadzić ich klasyfikację ze względu na [1]:

  • sposób kontaktu kolektora z wodą użytkową,
  • zakres wykorzystywania energii słonecznej,
  • sposób zabezpieczenia przed nadmiernym ciśnieniem,
  • sposób wymuszania cyrkulacji cieczy.

15
Rodzaje kolektorów słonecznych

Podział ze względu na sposób odbioru energii słonecznej. W tym zakresie kolektory dzielimy na dwa typy: skupiające oraz absorbujące. W kolektorach skupiających energia promieniowania słonecznego odbijana jest od zwierciadeł hiperbolicznych o bardzo dużej powierzchni, a następnie jest skupiana w miejscu jej zamiany na energię cieplną. Temperatura w punkcie skupienia może osiągać nawet 3000°C, dzięki czemu urządzenia te mogą wytwarzać wysokoparametrową parę wodną zasilającą turbiny generatorów prądu [1]. W odróżnieniu od kolektorów skupiających, kolektory absorbujące pochłaniają bezpośrednio docierające do nich fale promieniowania słonecznego. Ze względu na niewielkie natężenia promieniowania słonecznego, temperatura, jaką osiągają, nie przekracza 100°C [1]. Produkowane są również kolektory skupiająco-absorbujące, w których absorber w kształcie rury, umieszczony na zwierciadle, pochłania zarówno promieniowanie bezpośrednie, jak i odbite [1].

Podział w zależności od temperatury ogrzewanego czynnika. Dostępne są kolektory niskotemperaturowe i wysokotemperaturowe. Niskotemperaturowe osiągają temperatury do około 100°C i są to najczęściej kolektory absorbujące. Stosuje się je do ogrzewania wody użytkowej, a także basenowej. Niektóre konstrukcje tych kolektorów umożliwiają wspomaganie c.o. oraz podgrzewanie wody na potrzeby technologiczne. Kolektory wysokotemperaturowe są na ogół kolektorami skupiającymi.

Podział z uwagi na rodzaj nośnika ciepła. Nośnikiem takim może być powietrze lub ciecz [1]. W kolektorach powietrznych energia pochłonięta przez absorber oddawana jest strumieniowi powietrza przepływającemu w odpowiednio ukształtowanym kanale [1]. Przepływ powietrza wymuszany bywa przez wentylator. Kolektory tego typu z powodzeniem wykorzystywane są w rolnictwie do celów suszenia płodów rolnych, ziół, zielonek, drewna, ziarna zbóż i owoców. Okresy zapotrzebowania na energię na ten cel pokrywają się z okresami największego nasłonecznienia. Kolektory powietrzne mają wiele zalet. W porównaniu z cieczowymi są znacznie tańsze, nie sprawiają problemów związanych z wrzeniem i zamarzaniem płynu oraz korozją części metalowych. Największą ich wadą (oprócz hałasu wytwarzanego przez wentylatory) jest niska sprawność wynikająca z niskiego współczynnika wnikania ciepła z absorbera do powietrza. Powoduje to wyższe temperatury absorbera i wyższe straty wypromieniowania ciepła do otoczenia.

Znacznie wyższą sprawnością charakteryzują się kolektory cieczowe, które ze względu na uniwersalność zastosowań i prostotę budowy zyskują coraz większą popularność. Urządzenia te mają wbudowane przewody umożliwiające przepływ czynnika grzewczego. Można wśród nich wyróżnić:

  • kolektory płaskie,
  • kolektory płaskie próżniowe, 

– rurowe kolektory próżniowe przepływowe,
– rurowe kolektory próżniowe typu rura cieplna,
– rurowe kolektory z dewarowską izolacją próżniową,
– kolektory magazynujące.

16Do nowych konstrukcji słonecznych kolektorów cieczowych należą kolektory z czynnikiem dwufazowym (ciecz niskowrząca) oraz kolektory płaskie absorpcyjne (z płynem bezpośrednio absorbującym).
Najbardziej rozpowszechnionym spośród wyżej wymienionych kolektorów jest scharakteryzowany dalej w artykule kolektor cieczowy płaski.

Charakterystyka zasadniczych elementów kolektora
Głównym elementem kolektora cieczowego płaskiego jest płyta, tzw. absorber, zintegrowana z systemem rur, w których płynie czynnik grzewczy (jego temp. może wynosić ok. 100°C). Płyta ma powłokę z materiałów minimalizujących straty wypromieniowania, jest zaizolowana termicznie i umieszczona w obudowie z przezroczystym przykryciem. Właściwości absorbera, powłoki oraz pokrywy w istotny sposób wpływają na sprawność kolektora. Budowę cieczowego kolektora płaskiego ilustruje rys. 2, z kolei na rys. 3 przedstawiono schemat jego działania.

17Absorber. Najważniejszym elementem kolektora płaskiego jest płyta pochłaniająca, zwana absorberem, która powinna odznaczać się dobrym przewodnictwem cieplnym oraz odpornością na wysoką temperaturę. Według [2,3], dobre przewodnictwo cieplne materiału absorbera odgrywa istotną rolę w kolektorach płaskich do podgrzewania wody, ponieważ powierzchnia styku czynnika roboczego z powierzchnią absorbera jest mniejsza od powierzchni absorbera. W absorberach można stosować powłoki selektywne i nieselektywne. Selektywność powłoki to właściwość jej powierzchni oznaczająca wysoką zdolność absorbowania fal długości od 0,2-0,35 μm do 2-4 μm (odpowiadających promieniowaniu słonecznemu) i jednocześnie małą emisyjność fal długości od 2-4 μm do 25-50 μm (odpowiadających promieniowaniu cieplnemu).

Absorber cieczowego kolektora płaskiego przeważnie wykonany jest z miedzianego, płaskiego arkusza blachy, który pokryty jest wysokoselektywną powłoką czarnego chromu [2, 3]. Zdarza się jednak, że arkusz blachy wykonany jest z innego materiału, np. aluminium, i pokryty jest inną powłoką, np. BlueTec [3, 4]. Innym typem często stosowanej powłoki selektywnej jest pokrycie tandemowe. Jego selektywność uzyskuje się poprzez pokrywanie płyty absorbera jedną lub dwiema cienkimi warstwami materiału o odpowiednio dobranych właściwościach optycznych. Do powłok nieselektywnych można zaliczyć pokrycia z użyciem czarnych lakierów i matowych farb na bazie poliestrów oraz żywic epoksydowych z pigmentami zawierającymi: węgiel, tlenek żelaza, czarny popiół, asfalt. Współczynnik absorpcji takich powłok jest wysoki i wynosi 90-98%. Jednocześnie wysoki jest współczynnik emisyjności wynoszący 85-90%. Sprawia to, że wykorzystanie tych powłok do celów intensywnej zamiany energii promieniowania słonecznego na ciepło jest nieefektywne.
! Powłoka nieselektywna bardzo dobrze absorbuje ciepło, ale również dużo ciepła emituje. W przypadku powłoki selektywnej ciepło jest również bardzo dobrze pochłaniane, lecz emisja jest znacznie bardziej ograniczona.

18Orurowanie z przepływającym czynnikiem roboczym. To kolejny niezbędny element kolektora płaskiego. Układ orurowania może być różny, np. harfowy lub meandrowy (rys. 4a i 4b). Według [2,3], kolektor o układzie rurek jak na rys. 4a stosowany jest przy dużych przepływach czynnika roboczego, ponieważ układ ten charakteryzuje się niskimi oporami przepływu, natomiast kolektor o konfiguracji rurek jak na rys. 4b, ze względu na większe opory przepływu, jest stosowany do przepływów z mniejszą prędkością. Dlatego kolektory słoneczne z układem meandrowym wykazują większą stabilność pracy pod względem hydraulicznym. Rozróżnia się trzy rodzaje przepływu w kolektorze słonecznym:

  • niski przepływ (o natężeniu do 30 l/(m2·h)) – tzw. praca low-flow;
  • wysoki przepływ (o natężeni >30 l/(m2·h)) – tzw. praca high-flow;
  • przepływ zmienny (zmienne natężenie przepływu) – tzw. praca matched-flow.

Powyższa klasyfikacja nie jest znormalizowana w literaturze przedmiotu, można zatem spotkać różne jej interpretacje. Decydującą rolę w wymiarowaniu instalacji solarnej odgrywa prędkość przepływu, która zostaje osiągnięta przy określonym łącznym natężeniu przepływu. Straty ciśnienia w przewodach będą jak najniższe wtedy, gdy prędkość przepływu w rurach nie przekroczy 1 m/s.
19! Zalecane prędkości przepływu mieszczą się w granicach 0,4-0,7 m/s. Wyższa prędkość spowoduje wzrost straty ciśnienia, zaś znacznie mniejsza utrudni odpowietrzanie, które i tak w instalacji solarnej jest utrudnione z uwagi na zbyt duże średnice przewodów.

W tabeli 1 zestawiono typowe średnice przewodów stosowanych w instalacjach solarnych wraz z podaniem zalecanych prędkości przepływu odpowiadających określonemu natężeniu przepływu.
Bardzo ważne jest również przewodzenie cieplne połączenia rury z płytą absorbera. Przewód rurowy o średnicy 10-20 mm mocowany jest do blachy płaskiej lub pofalowanej na styk poprzez lutowanie, spawanie lub klejenie. W najnowszych technologiach stosuje się spawanie ultradźwiękowe na zimno lub spawanie pulsacyjnym laserem [1]. Rurki mogą być również dołączone do profilowanej blachy absorbera poprzez docisk, konieczne jest wówczas wprowadzenie odpowiedniego wypełnienia w celu zminimalizowania cieplnego oporu kontaktowego. Typy wypełnień wraz z wartościami ich oporów przedstawiono w tabeli 2. Absorbery mogą być także wykonane poprzez walcowanie dwóch blach profilowanych, przy czym na obszarze, gdzie powstać mają kanały, blachy nie są walcowane. 20
Pokrycie absorbera. Ważną częścią kolektora płaskiego jest pokrycie (najczęściej szklane), które chroni absorber przed czynnikami atmosferycznymi (m.in. gradobicie) i jednocześnie udoskonala pochłanianie promieniowania przez absorber. Najtrwalszymi oraz najczęściej stosowanymi materiałami pokryciowymi są szkło hartowane i budowlane oraz teflon. Według [3,4], trwałość szkła hartowanego i budowlanego wynosi ok. 50 lat, natomiast teflonu ok. 20 lat.
Przykładowe właściwości optyczne pokryw wykonanych ze szkła, akrylu i poliwęglanu przedstawiono w tabeli 3. 21
I23zolacja i obudowa kolektora. W celu zmniejszenia strat ciepła do otoczenia stosuje się izolacje z wełny mineralnej i poliuretanu, których współczynniki przewodzenia ciepła są niewielkie [3, 4]. W tabeli 4 przedstawiono właściwości typowych materiałów izolacyjnych. Całość mieści się w obudowie, która zazwyczaj wykonana jest z tłoczonych profili aluminiowych lub stali nierdzewnej w kształcie głębokich wanien, często powlekanych czarną lub brązową powłoką. Jest ona jednocześnie konstrukcją nośną dla pozostałych jego elementów. Spotyka się niekiedy obudowy wykonane z tworzyw sztucznych, które są mniej trwałe, a nawet mogą stanowić zagrożenie pożarowe [1].

Sprawność cieczowego płaskiego kolektora słonecznego
Promieniowanie słoneczne docierające do powierzchni absorbera, zostaje w pewnym stopniu pochłonięte oraz w pewnym stopniu odbite. Zaabsorbowane promienie zostają przekształcone na energię cieplną, która jest odbierana przez przepływający w przewodach płyn solarny. Czynnik ten transportowany jest przewodami do zasobnika akumulacyjnego, gdzie oddaje ciepło. Proces ten jest cykliczny, aż do momentu osiągnięcia w zasobniku żądanej temperatury.
24! Nie istnieje urządzenie, które pracowałoby ze sprawnością 100%, dlatego również w przypadku kolektorów słonecznych występują straty cieplne. Mogą być one związane z transportem czynnika roboczego do zasobnika i z powrotem. Występują również straty cieplne z zasobnika oraz w samym kolektorze, np. straty z powierzchni absorbera, przez izolację i obudowę, jak również związane z konwekcją naturalną, np. wiatrem, deszczem czy śniegiem.

25Schematyczny przepływ ciepła przez kolektor słoneczny płaski pokazuje rys. 5. Zasadniczym problemem obliczeniowym dla kolektora jest określenie jego wydajności termicznej, tj. użytecznego zysku energetycznego lub sprawności kolektora. Na rys. 6 pokazano z kolei schemat typowego układu solarnego opartego na cieczowym płaskim kolektorze słonecznym (na rys. naniesione są symbole istotnych parametrów potrzebnych do obliczeń sprawności).

Obliczanie strumienia ciepła dopływającego do kolektora. Znając natężenie promieniowania słonecznego P oraz powierzchnię kolektora słonecznego płaskiego Ak, możemy obliczyć strumień ciepła dopływający do kolektora:
2636Jak pokazano na rys. 5, część promieniowania słonecznego docierającego do kolektora słonecznego jest odbita z powrotem do nieba, część jest pochłaniana przez oszklenie, a reszta jest przenoszona przez oszklenie i dociera do płyty absorbera jako promieniowanie krótkofalowe. Niewielki procent promieniowania przenika przez przezroczystą pokrywę kolektora (transmisja) i jest wchłaniany (absorbowany) przez płytę kolektora. W celu opisania transmisji i absorpcji promieniowania wprowadza się pojęcie współczynnika konwersji E (ilość ciepła pochłoniętego przez k37olektor), który wyrażany jest iloczynem transmisyjności τ (przepuszczalność) pokrycia i absorpcyjności płyty kolektora α (pochłanianie), a zatem równanie (1) można zapisać jako:
27W tabelach 5 i 6 przedstawiono odpowiednio współczynniki absorpcji i współczynniki transmisyjności promieniowania słonecznego dla różnych materiałów stosowanych w kolektorach słonecznych.

Obliczanie strumienia strat ciepła. W momencie gdy kolektor pochłania ciepło, jego temperatura rośnie i przewyższa temperaturę otoczenia, a ciepło jest tracone do atmosfery przez konwekcję i promieniowanie. Zatem strumień strat ciepła Qstr zależy od całkowitego współczynnika przenikania ciepła przez kolektor Uk oraz temperatury kolektora i może być wyznaczony z równania: 28Obliczanie rzeczywistego użytecznego strumienia ciepła. Użyteczny strumień ciepła Qu, dla warunków ustalonych, jest zatem proporcjonalny do strumienia ciepła dopływającego do kolektora pomniejszonego o straty cieplne, zgodnie z równaniem:
29Wiadomo również, że szybkość pozyskiwania ciepła z kolektora można określić poprzez ilość ciepła odbieranego od niego przez przepływający płyn solarny, zgodnie z zależnością:
30Z powodu trudności w określeniu średniej temperatury kolektora do równania (4) wprowadza się tzw. współczynnik usuwania ciepła z kolektora Fr definiowany jako:
31Maksymalny możliwy zysk energetyczny w kolektorze słonecznym występuje, gdy cały kolektor ma temperaturę płynu na wlocie. Mnożąc współczynnik usuwania ciepła z kolektora (6) przez maksymalny użyteczny strumień ciepła (4), uzyskujemy rzeczywisty użyteczny strumień ciepła, który wyraża równanie Hottela-Whilliera-Blissa:
32Rzeczywisty użyteczny strumień ciepła jest silnie uzależniony od strat ciepła z górnej (frontowej) powierzchni kolektora zarówno w wyniku konwekcyjnego, jak i radiacyjnego ruchu ciepła. Straty ciepła z dna kolektora i z powierzchni bocznych kolektora nie mają tak znaczącego wpływu na wartość rzeczywistego użytecznego strumienia ciepła.

Obliczanie sprawności cieplnej kolektora. Miarą wydajności kolektora płaskiego jest jego sprawność ηk, zdefiniowana jako stosunek zysku rzeczywistej energii użytecznej Qu,rz do ilości energii słonecznej dostarczonej do kolektora w danym czasie:
33Chwilową sprawność cieplną kolektora można określić jako:
34Podstawiając równanie (7) do równania (9) otrzymamy ogólny wzór do obliczania sprawności cieplnej kolektora słonecznego płaskiego:
35Artykuł stanowi pierwszą z dwóch części opracowania dotyczącego problematyki projektowania instalacji solarnych. W tej części podano ogólne informacje na temat kolektorów słonecznych oraz szczegółowo opisano kolektor cieczowy płaski wraz ze sposobem wyznaczania jego sprawności. W kolejnym artykule zostanie przedstawiony algorytm obliczania i doboru (elementów) instalacji solarnych współpracujących z cieczowymi płaskimi kolektorami słonecznymi.

Literatura:
[1] Wesołowski M.: Cieczowe systemy słoneczne. Vademecum dla przedsiębiorców. Innowacyjne rozwiązania technologiczne. Doświadczenia Partnerstwa „Budujmy Razem” [2] http://solary.ugkonstantynow.pl/wiedza/
[3] Wiśniewski G.: Kolektory słoneczne. Energia słoneczna w mieszkalnictwie, hotelarstwie i drobnym przemyśle, Medium, Warszawa 2008
[4] Wiśniewski G.: Kolektory słoneczne. Poradnik wykorzystania energii słonecznej, Warszawa 1992
[5] Podręcznik architekta, projektanta i instalatora. Kolektory słoneczne. Viessmann Sp. z o.o., 2010


 

pi