Zdjęcie: NRCan
Solarne podgrzewanie wody
Zdjęcie: NRCan
Solarne podgrzewanie wody
2
Idea działania SPW
Kolektory
słoneczne
3
Płaskie kolektory słoneczne
absorbują
- promieniowanie
bezpośrednie
oraz
- promieniowanie
rozproszone.
Pasywna
Rodzaje cyrkulacji
Aktywna
5
Warianty rozwiązań konstrukcyjnych instalacji solarnych
K
–
kolektor, Z
–
zasobnik,
P
–
pompa cyrkulacyjna,
W
–
wymiennik,
G
–
grzałka elektryczna,
GP
–
grzejnik
przepływowy,
R
–
regulator,
Układy bezpośredniego
podgrzewania wody
w kolektorach
słonecznych
6
Warianty rozwiązań konstrukcyjnych instalacji solarnych
K
–
kolektor, Z
–
zasobnik,
P
–
pompa cyrkulacyjna,
W
–
wymiennik,
G
–
grzałka elektryczna,
GP
–
grzejnik
przepływowy,
R
–
regulator,
NW
–
naczynie wzbiorcze
(uzupełnienie zasobów
cieczy roboczej
– glikolu,
ergolitu)
Układy pośredniego
podgrzewania wody
w kolektorach
słonecznych
Elementy przykładowego systemu SPW
Rysunek: NRCan
Wymiennik
ciepła
Zasilanie z sieci
lub np. panela PV
Kolektory słoneczne
Termosyfon Obieg
wody podgrzewanej
Ciepła woda
dla budynku
Zimna
woda
zasilająca
Obieg glikolowy
Rozdzielacz
Zawór
spustowy
W
od
a
po
dgr
zew
ana
s
ol
arni
e
Pompa glikolu
Wstępny
Zasobnik wody
podgrzewanej
przez system
solarny
Zasobnik
c.w.u.
Schemat systemu solarnego
podgrzewania wody
Naczynie
wzbiorcze
Układ jest sterowany regulatorem (nie jest zaznaczony na rys.)
Elementy systemów SPW
Kolektory słoneczne
-
najważniejsza część słonecznej instalacji grzewczej.
Zbiornik na wodę
– może to być dowolny bojler z wymiennikiem ciepła. Jeżeli
kolektory słoneczne mają być podłączone do tego samego zbiornika co piec
c.o., potrzebny będzie zbiornik z dwoma wymiennikami ciepła. Bojlery
produkowane specjalnie na potrzeby słonecznych instalacji grzewczych
umożliwiają podłączenie minimum dwóch, a czasami nawet trzech źródeł ciepła
(3 wymienniki ciepła), np. kolektory słoneczne, piec c.o. i pompa ciepła.
Wymiennik ciepła
– to bardzo ważny element całej instalacji. Wymiennik to
spiralna, żebrowana rura (najczęściej miedziana), umieszczona w zbiorniku
wody. Przepływa przez nią ciecz robocza, która ogrzewa przy tym wodę w
zbiorniku.
Pompka obiegowa
– co prawda można wykonać instalację o obiegu
grawitacyjnym, ale efekty są lepsze w instalacji z obiegiem wymuszonym.
Pompka pompuje ciecz roboczą przez kolektory słoneczne i wymiennik ciepła.
Regulator
– steruje całością i włącza pompkę, gdy temperatura w kolektorze
jest wyższa niż temperatura wody w zbiorniku oraz wykonuje inne funkcje
regulacyjne.
Elementy systemów SPW
Absorber
Typowy
absorber
wykonany z
blachy miedzianej lub aluminiowej
, pokryty czarną matową farbą
(α⁄ε≈1), w słoneczny dzień przy Hb= 800 W/m2 osiąga temperaturę równowagi ok. 343 K
(70
o
C). W celu podwyższenia tej temperatury, czyli ilości zaabsorbowanej energii można:
•Absorber pokryć powłokami selektywnymi, dla których α⁄ε≈8,5 (Cu pasywowane NaOH i
NaCl O
2
, ta=150÷160
o
C);
•Ograniczyć konwekcyjne straty ciepła, pokrywając absorber dodatkową przezroczystą osłoną
(plexi, szkło, szkło hartowane, ta= 110÷190
o
C);
•Skoncentrować promieniowanie słoneczne układem luster płaskich parabolicznych lub
soczewek.
Osłony kolektorów
Osłony kolektorów powinny być wytrzymałe na naciski, zginanie i ścieranie spowodowane:
wiatrem, śniegiem, gradem, piaskiem. Powinny mieć też dużą twardość. Być: łatwo zmywalne,
odporne na promieniowanie ultrafioletowe i jak najbardziej przezroczyste.
Izolacja kolektora
Izolacja o takiej grubości, aby strumień strat ciepła był mniejszy niż 1 W/m2 dla kolektorów
całorocznych i mniejszy niż 5 W/m2 dla kolektorów letnich. Współczynnik przewodności
cieplnej λ [W/(K*m)] materiałów izolacyjnych: polistyren porowaty –0,034, poliuretan
spieniony –0,024, wełna mineralna –0,035, ebonit porowaty –0,03, korek –0,041.
α
wsp
ółczynnik absorpcji absorbera
ε
wsp
ółczynnik emisji absorbera
Typy kolektorów skupiających
10
a) paraboliczny,
b) rynnowy,
c) rurowy z lustrami,
d) stożkowy,
e) paraboliczny, rynnowy,
f) z soczewkami Fresnela.
Kolektory słoneczne płaskie
11
Straty ciepła w kolektorze słonecznym:
1) straty przewodzenia przez tylną ścianę kolektora (przez warstwę izolacji
cieplnej)
2) straty przewodzenia przez ścianki boczne
3) straty przewodzenia do atmosfery przez szybę
4) straty radiacyjne do atmosfery przez szybę.
Straty radiacyjne przez szybę
są ograniczone efektem
radiacyjnej pułapki cieplnej.
Kolektory słoneczne -efekt pułapki cieplnej
12
Górna powierzchnia płyty
absorbera
jest pokryta specjalną
warstwą absorpcyjną
, która zwiększa zdolność pochłaniania
promieniowania słonecznego przez absorber. W obecnie
produkowanych kolektorach słonecznych warstwa ta ma
specjalnie uformowane własności selektywne, które pozwalają
uzyskać:
-
dużą zdolność pochłaniania wysokotemperaturowego
promieniowania słonecznego
(widmowa temperatura
promieniowania słonecznego – 5 000 K) i jednocześnie
-
bardzo małą zdolność emisyjną dla promieniowania
niskotemperaturowego
(w zakresie od około 300 do około 400 K).
Tak uformowana selektywność powiększa efekt pułapki cieplnej
kolektora uzyskanej przez przykrycie płyty absorbera warstwą
szklanych szyb.
Kolektory słoneczne płaskie
Rysunek: NRCan
Najbardziej rozpowszechnione są płaskie kolektory cieczowe
Szyba
solarna
Obudowa
Absorber
Wężownica
Rura
zbiorcza
Izolacja
materiał o niskiej
zawartości tlenków
żelaza
miedź, mosiądz
lub aluminium,
zapobiega oddawaniu ciepła do
otoczenia ( wełna mineralna lub
poliuretan)
szczelna
aluminiowa
Do absorbera przymocowane są rurki
przez które przepływa ciecz robocza,
którą najczęściej jest glikol lub
ergolit.
Promieniowanie słoneczne jest
najefektywniej wykorzystywane, gdy
kolektor będzie:
•
zwrócony w stronę południową,
•
pochylony pod kątem 45 stopni –
jest to najlepszy kąt dla kolektorów
wykorzystywanych w okresie letnim,
•
zainstalowany w miejscu nie
zacienionym przez drzewa lub
budynki.
Typy kolektorów płaskich
14
h) z wypełnieniem komórkowym
a) z płaskim absorberem
b) z absorberem ryflowanym,
c) wodny otwarty,
d) powietrzny,
e) próżniowy,
f) z wypełnieniem,
g) powietrzno-wodny,
15
Kolektory słoneczne płaskie
Courtesy of DOE/NREL
•
Umiarkowana cena
•
Wysoka temperatura
pracy
•
Może pracować przy
ciśnieniu sieciowym
wody zasilającej
•
Ciężki, odporny na
uszkodzenia
roczna prod. do 550
kWh z m2
Kolektor Słoneczny
SOL S
Kolektory słoneczne próżniowe
•
są zbudowane z dwuściennych szklanych rurek,
•
pomiędzy zewnętrzną i wewnętrzną ścianą rurki istnieje próżnia,
która pełni rolę izolacji zapobiegającej stratom ciepła,
•
powłoka absorbująca może znajdować się na rurce wewnętrznej
Kolektory słoneczne próżniowe
Schemat rury kolektora próżniowego z
bezpośrednim przepływem płynu
solarnego
Wśród kolektorów próżniowych można spotkać dwa sposoby odbioru ciepła z
absorbera:
• bezpośredni poprzez bezpośredni przepływ płynu solarnego przez kolektor. Płyn
solarny przepływając przez U- kształtną rurkę połączoną z absorberem nagrzewa się i
powraca do rury zbiorczej.
Kolektory słoneczne próżniowe
Schemat rury kolektora próżniowego
typu „heat pipe”
• pośredni poprzez wykorzystanie ciepłowodu . W kolektorach wykorzystujących ten system
przekazywania ciepła wewnątrz szklanej rury znajduje się tzw. ciepłowód – wydłużony walcowaty
zbiornik wypełniony cieczą o niskiej temperaturze wrzenia zbudowany zazwyczaj z miedzi.
Pod wpływem promieni słonecznych nagrzany absorber przekazuje ciepło za pośrednictwem
wyprofilowanej blachy miedzianej lub aluminiowej do ciepłowodu.
Energia ta wykorzystywana jest do odparowania cieczy niskowrzącej, która w postaci gazu kieruje
się ku górze gorącej rurki. Następnie czynnik grzewczy instalacji słonecznej odbiera ciepło od pary
płynu niskowrzącego powodując jego skroplenie. Schłodzony czynnik po powrocie do postaci
płynnej spływa na dno gorącej rurki gdzie ulega ponownie nagrzaniu i odparowaniu- proces
rozpoczyna się od nowa.
Kolektory słoneczne próżniowe
Wykonanie tylnej ścianki kolektora
rurowego z lustrzanej stali
powoduje, że rurki są naświetlane
także kierunku przeciwnego do
kierunku padania promieniowania
słonecznego.
Kolektory słoneczne próżniowe
• Wysokie koszty
• Brak strat konwekcyjnych
• Uzysk energii do 30% większy w porównaniu z kolektorami płaskimi
• Wysoka temperatura
• Zimniejsze strefy klimatyczne
• Mała odporność na uszkodzenia
• Instalacja może być bardziej skomplikowana
• Opady śniegu stanowią mniejszy problem
Nowe typy kolektorów słonecznych
Kolektory z czynnikiem dwufazowym
Instalacje kolektorów z czynnikiem niskowrzącym (np.freon, amoniak, propan,butan), w
których zachodzi przemiana fazowa (wrzenie –kondensacja). W rozwiązaniach tych część
absorbująca promieniowanie słoneczne jest jednocześnie parownikiem czynnika
niskowrzącego, a w zasobniku znajduje się kondensator. Przepływ czynnika może być
grawitacyjny swobodny, grawitacyjny z pływakowym zaworem regulacyjnym lub
wymuszony pompą obiegową kondensatu.
Kolektory słoneczne z
czynnikiem dwufazowym:
a)Termosyfon
b)Z zaworem pływakowym
c)Rura cieplna
1
–kolektor parownik,
2
–kondensator,
3
–do kondensatora,
4
–zawór pływakowy,
5
–z kondensatora,
6
–parownik,
7
–ciepła woda użytkowa.
Nowe typy kolektorów słonecznych
Kolektory absorpcyjne
W typowych kolektorach słonecznych absorpcja promieniowania słonecznego odbywa się na
czarnej powierzchni absorbera, wewnątrz którego płynie czynnik roboczy. Sprawność kolektora
maleje wraz ze wzrostem temperatury powierzchni absorbera.
Pochłanianie energii promieniowania w nowym rozwiązaniu odbywa się w całej masie,
najczęściej barwnego, czynnika kolektora, przez co temperatura powierzchni stykającej sięz
otoczeniem jest niższa.
a)Tradycyjny absorpcyjny, b)Absorpcyjny z pochłanianiem energii promieniowania w objętości płynu
Modele dwóch typów kolektora słonecznego:
Schemat połączenia pojedynczych paneli
w
baterię kolektorów słonecznych
a) układ równoległy,
b) układ mieszany – szeregowo-równoległy
24
SPRAWNOŚĆ KOLEKTORA
25
i
u
P
P
m
t
a
u
P
P
P
P
Energia promieniowania słonecznego padająca na powierzchnię kolektora zostaje
częściowo zaabsorbowana, a częściowo odbita. Energia zaabsorbowana nie jest w
całości zużytkowana na ogrzanie wody, wskutek strat konwekcyjnych i przewodzenia.
Jednym z ważnych kryteriów oceny skuteczności działania i opłacalności stosowania
kolektora jest jego sprawność, która wyraża się wzorem:
i może być zdefiniowana jako stosunek gęstości mocy użytecznej do gęstości mocy
docierającego promieniowania.
Użyteczną gęstość mocy można opisać następującym wyrażeniem:
gdzie:
Pa – gęstość mocy przyjętej przez absorber,
Pt - gęstość mocy traconej,
Pm – gęstość mocy magazynowanej w absorberze, przewodach i innych
częściach konstrukcyjnych absorbera.
SPRAWNOŚĆ KOLEKTORA
26
i
a
P
P
otocz
a
t
T
T
k
P
Ponieważ kolektor pokryty jest szklaną płytą, która absorbuje lub odbija
energię słoneczną, gęstość mocy przyjętej przez absorber można obliczyć z
zależności:
gdzie:
Pi – gęstość mocy docierającego do kolektora promieniowania,
α – współczynnik absorpcji absorbera,
τ – współczynnik przepuszczania promieniowania przez płytę.
Gęstość mocy traconej jest uzależniona od różnicy temperatur absorbera Ta
oraz otoczenia Totocz, i można ją przedstawić za pomocą równania:
gdzie:
k – współczynnik transmisji ciepła.
SPRAWNOŚĆ KOLEKTORA
27
m
otocz
a
i
u
P
T
T
k
P
P
2
wy
wl
asr
T
T
T
Po podstawieniu odpowiednich wyrażeń do wzoru na moc użyteczną,
gęstość mocy wynosi:
Ze względu na trudności z wyznaczeniem temperatury absorbera Ta, w
praktyce do wzoru podstawia się średnią temperaturę cieczy
wyznaczoną jako :
gdzie:
Twl
– temperatura na wlocie kolektora,
Twy
– temperatura na wylocie kolektora.
Badanie sprawności kolektora przeprowadza się w stanie ustalonym,
(temperatura na wlocie i wylocie jest stała). W takich warunkach
przyjmuje się, że Pm=0. Do obliczeń sprawności kolektora wprowadza
się dodatkowo współczynnik efektywności absorbera f, charakteryzujący
proces przekazywania ciepła z kolektora do cieczy.
SPRAWNOŚĆ KOLEKTORA
28
i
otocz
a
i
otocz
a
i
i
u
P
T
T
k
f
P
T
T
k
P
f
P
P
f
wl
wy
w
u
T
T
c
m
P
i
wl
wy
w
i
P
S
T
T
c
m
P
S
P
Sprawność kolektora można ostatecznie opisać jako:
W praktyce w obliczeniach moc użyteczną – oddaną przez kolektor
do wymiennika ciepła można policzyć z zależności:
gdzie:
m – natężenie przepływu cieczy [kg/s],
cw – ciepło właściwe cieczy .
Sprawność kolektora może być wówczas obliczona jako:
gdzie:
S – powierzchnia kolektora.
Literatura
Z. Pluta, Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej,
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.
W. M. Lewandowski, Proekologiczne źródła energii odnawialnej, Wydawnictwa
Naukowo-Techniczne,
Warszawa 2002. E. Klugmann-Radziemska, E. Klugmann, Systemy
słonecznego ogrzewania i zasilania elektrycznego budynków, Wydawnictwo
ekonomia i Środowisko, Białystok 2002.
M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31
marca 2006
www.nasa.com
www.energiaodnawialna.com.pl
www.miltonhydro.com
www.rotal.pl
www.elchlod.pl
http://www.domypasywne.pl/indexx.htm
http://greenworld.serwus.pl/Ogniwa/efekt.htm
http://www.pv.pl
http://getsolar.info.pl
http://www.kolektory.com.pl/
http://www.greenspec.co.uk/html/energy/windturbines.html