Politechnika Białostocka
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
Katedra Ciepłownictwa
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
Temat ćwiczenia: Badanie sprawności cieczowego kolektora
słonecznego
Ćwiczenie nr 12
Laboratorium z przedmiotu:
„Alternatywne źródła energii”
Kod: ŚC3066
Opracowały:
mgr inż. Anna Demianiuk
mgr inż. Anna Werner-Juszczuk
luty 2015
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 12
Katedra Ciepłownictwa Badanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
2
1.
Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodą wyznaczania sprawności kolektorów
słonecznych oraz obserwacja i zrozumienie zasady działania termosyfonu (cyrkulacji
naturalnej).
2.
Podstawy teoretyczne
Ze względu na uzyskiwany rodzaj energii kolektory można podzielić na te, w których
wykorzystuje się konwersję fototermiczną lub fotoelektryczną, w wyniku których ostatecznie
otrzymuje się, odpowiednio, energię cieplną oraz elektryczną. Wśród kolektorów, których
zadaniem jest konwersja energii promieniowania słonecznego w energię cieplną wyróżnić
można, ze względu na rodzaj czynnika roboczego, powietrzne i cieczowe, do których należą:
• kolektory płaskie
• kolektory próżniowe (płaskie, rurowe)
• kolektory magazynujące.
2.1.
Podstawowe wielkości i jednostki
Symbol
Znaczenie
Jednostka
podstawowa
p
ciśnienie
Pa
g
przyspieszenie ziemskie
m/s
2
ρ
gęstość
kg/m
3
Q
przepływ objętościowy
m
3
/s
ṁ
przepływ masowy
kg/s
Q
u
moc użyteczna
kW
c
p
ciepło właściwe
kJ/kgK
A
powierzchnia czynna kolektora
m
2
E
natężenie promieniowania elektromagnetycznego (w programie – Wr)
W/m
2
2.2.
Zasada działania płaskiego termicznego kolektora wodnego
Typowy płaski kolektor wodny składa się z czterech podstawowych elementów
(Rys.1.):
Rys. 1. Schemat płaskiego kolektora słonecznego: 1- osłona szklana, 2- obudowa,
3- absorber, 4- przewody z czynnikiem roboczym, 5- izolacja
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 12
Katedra Ciepłownictwa Badanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
3
•
przezroczysta osłona – wykonana ze szkła charakteryzującego się wysoką odpornością na
warunki atmosferyczne i uszkodzenia mechaniczne oraz wysoką przepuszczalnością
promieniowania UV i niskim współczynnikiem odbicia promieni, dzięki czemu więcej
energii dociera do absorbera.
•
obudowa – rama, najczęściej aluminiowa ze względu na małą masę, w której
umieszczone są pozostałe elementy kolektora wraz z płytami osłonowymi i izolacją
cieplną stosowaną celu zredukowania strat energii
•
układ odbioru ciepła – zintegrowanego z płytą absorbera układu przewodów, najczęściej
miedzianych, w których krąży czynnik roboczy, którym może być woda, ale w przypadku
całorocznego
użytkowania
kolektorów
słonecznych
należy
zastosować
płyn
niezamarzający (np. glikol etylenowy)
•
absorber – płyta pochłaniająca promieniowanie słoneczne stanowiąca zasadniczy element
urządzenia; do konstrukcji tego elementu najczęściej wykorzystywane są miedź,
aluminium, stal lub mosiądz
•
izolacja cieplna – warstwa materiału izolacyjnego, chroniącego absorber i układ odbioru
ciepła przed nadmierną energii. Najczęściej wykonana jest z typowych materiałów
izolacyjnych, które charakteryzują się niskimi współczynnikami przewodności cieplnej,
małą gęstością mającą wpływ na całkowitą masę konstrukcji oraz niewielką
nasiąkliwością.
Promienie ultrafioletowe po przejściu przez szkło ulegają załamaniu. Zmianie ulega
też długość fali. Te dwa zjawiska uniemożliwiają wydostanie się promieniowania na zewnątrz
wywołując efekt cieplarniany, co z kolei powoduje wzrost temperatury wewnątrz kolektora.
Ciepło to odbierane jest następnie przez krążący w przewodach czynnik roboczy. Zjawisko
bezpośredniej zamiany energii promieniowania słonecznego w energię cieplną nosi nazwę
konwersji fototermicznej. Podczas jednokrotnego przepływu, temperatura czynnika rośnie
zwykle o kilka do kilkunastu stopni, a przyrost ten zależy od natężenia promieniowania
słonecznego docierającego do absorbera i prędkości przepływu czynnika roboczego przez
układ odbioru ciepła.
2.3.
Cyrkulacja naturalna (termosyfonowa)
Przepływ czynnika między następuje w wyniku różnicy jego temperatur w zbiorniku
i kolektorze. Podczas ogrzewania czynnika w kolektorze, jego gęstość maleje powodując
jednocześnie wzrost ciśnienia. W wyniku tych przemian czynnik przemieszcza się do wyżej
położonego zbiornika, w którym następuje jego ochłodzenie i powrót do wcześniejszych
parametrów. Po przepłynięciu przez zasobnik schłodzony czynnik wraca do kolektora
w wyniku działania siły grawitacji. Na przewodzie doprowadzającym medium do kolektora
zamontowany jest zawór zwrotny w celu zapobiegnięcia cofaniu się płynu. Gdy temperatura
wody w zbiorniku zrówna się z temperaturą w kolektorze, przepływ czynnika roboczego
ustaje, co powoduje z kolei wzrost ciśnienia w układzie. Po odprowadzeniu gorącej wody
z zasobnika i napełnieniu go zimną wodą z sieci, cyrkulacja zostaje samoistnie przywrócona.
Działanie cyrkulacji naturalnej jest uzależnione od dwóch czynników:
•
różnicy temperatur między źródłem i odbiornikiem ciepła
•
różnicy wysokości położenia źródła i odbiornika
Im większe są powyższe różnice tym łatwiej zachodzi cyrkulacja.
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 12
Katedra Ciepłownictwa Badanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
4
∆ >
+
∆ = ∆
=
ρ −ρ
cz
obiegu
cz
gr
p
z
p
( RL Z )
[ Pa ]
p
p
gh(
) [ Pa ]
(1)
gdzie:
∆
cz
p – ciśnienie czynne [Pa],
∆
gr
p –ciśnienie grawitacyjne [Pa],
g – przyspieszenie ziemskie; 9,81[m/s
2
],
h – różnica wysokości pomiędzy środkiem kolektora a środkiem
rozpatrywanego zasobnika [m],
ρ
p
– gęstość wody na powrocie do kotła [kg/m
3
],
ρ
p
– gęstość wody na wyjściu z kotła [kg/m
3
],
R – jednostkowa strata ciśnienia [Pa/m],
L – długość odcinka instalacji [m],
Z – wartość strat ciśnienia spowodowana oporami miejscowymi [Pa].
Alternatywą dla cyrkulacji naturalnej jest cyrkulacja wymuszona. W przypadku
zastosowania pompy obiegowej działanie urządzenia przestaje być uzależnione od różnicy
wysokości, a odbiornik ciepła może znajdować się poniżej źródła ciepła, czyli kolektora.
Sprawność grzewcza układu z obiegiem wymuszonym jest wyższa, jednak należy pamiętać
o energii pobieranej przez pompę, o którą należy pomniejszyć zyski energetyczne przy
sporządzaniu bilansu ogólnego.
2.4.
Sprawność kolektora słonecznego
Sprawność kolektora najprościej określić można jako wydajność cieplną (W/m
2
) jaką
wytwarza on w jednostce czasu w odniesieniu do otrzymanego promieniowania słonecznego
(W/m
2
) tj.: jeżeli np. promieniowanie słoneczne wynosi 1000 W/m
2
, a wydajność kolektora
w tym samym momencie 750 W/m
2
, to jego sprawność wynosi 75%.
Sprawność cieplną płaskiego kolektora słonecznego określa się jako stosunek energii
absorbowanej przez płyn cyrkulujący w kolektorze do całkowitego natężenia promieniowania
słonecznego padającego na powierzchnię brutto kolektora:
η =
⋅
u
c
Q
A E
(2)
gdzie:
Q
u
– energia użyteczna, W,
A – powierzchnia adsorpcyjna (brutto) kolektora, m
2
,
E – całkowite natężenie promieniowania słonecznego, W/m
2
.
Energię użyteczną oblicza się z zależności:
(
)
u
wody
p
out I
in I
Q
m
c
T
T
=
⋅ ⋅
−
o
o
&
[W]
(3)
gdzie:
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 12
Katedra Ciepłownictwa Badanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
5
m
wody
– przepływ masowy wody, kg/s
c
p
– ciepło właściwe wody 4180
⋅
J
kg K
,
T
out I°
–temperatura wody na wejściu do zasobnika (wyjściu z kolektora),˚C,
T
in I°
– temperatura wody na do wyjściu z zasobnika (wejściu do kolektora),˚C.
Sprawność kolektora słonecznego jest zmienna w czasie i zależy od wielu czynników,
m.in. od:
- konstrukcji (kolektor płaski czy próżniowy),
- rodzaju izolacji cieplnej,
- rodzaju przeszklenia,
- konstrukcji absorbera,
- nasłonecznienia,
- przepływu czynnika roboczego.
Zmniejszenie natężenia przepływu czynnika roboczego wpływa na wzrost temperatury
na wyjściu z kolektora słonecznego, co obniża jego sprawność. Wzrost temperatury roboczej
kolektora podwyższa straty ciepła do otoczenia.
Wielkością stałą charakteryzującą kolektor słoneczny jest sprawność optyczna η
o
. Jest
to największa teoretyczna sprawność danego typu kolektora, przy założeniu braku strat ciepła
do otoczenia (brak różnicy pomiędzy temperaturą otoczenia a temperaturą powierzchni
absorbera). Sprawność optyczna określa najwyższy stopień wykorzystania promieniowania
słonecznego przez absorber na potrzeby wytwarzania ciepła. Im sprawność optyczna jest
wyższa, tym kolektor słoneczny w większym stopniu wykorzystuje promieniowanie
słoneczne.
Podczas normalnej pracy kolektora słonecznego występują straty ciepła do otoczenia,
które obniżają tzw. sprawność roboczą (chwilową):
(
)
(
)
°
°
⋅
−
⋅
−
η = η −
−
I
a
I
a
o
a
T
T
a
T
T
E
E
2
1
2
(4)
gdzie: a
1
– liniowy współczynnik strat ciepła, W/m
2
K,
a
2
- nieliniowy współczynnik strat ciepła, W/m
2
K
2
,
T
a
– temperatura otoczenia, °C,
T
I°
– średnia temperatura czynnika roboczego w kolektorze, °C:
[ ]
°
°
°
+
=
in I
out I
I
T
T
T
K
2
.
(5)
Im większa różnica temperatur pomiędzy powierzchnią kolektora oraz otoczeniem,
tym większe straty ciepła, co powoduje zmniejszenie sprawności roboczej kolektora
słonecznego. W związku z tym zaleca się, aby kolektory słoneczne pracowały
z niskotemperaturowymi odbiornikami ciepła.
Im większe wartości współczynników strat ciepła a
1
i a
2
, tym bardziej nachylony
wykres sprawności oraz niższa wydajność cieplna kolektora (Rys.2)
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 12
Katedra Ciepłownictwa Badanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
6
Rys. 2. Zależność sprawności roboczej kolektora od współczynników strat ciepła
2.5.
Charakterystyki cieplne kolektorów słonecznych
Jedną z charakterystyk cieplnych kolektora słonecznego jest zależność sprawności
roboczej kolektora od wartości zredukowanej różnicy temperatury, czyli różnicy średniej
temperatury czynnika roboczego i temperatury otoczenia odniesionej do natężenia
promieniowania słonecznego (tzw. wykres Hottel-Whillier-Blissa) (6):
(
)
°
−
⋅
=
I
a
r
T
T
m
K
T
E
W
2
(6)
Inne charakterystyki to:
- zależność sprawności roboczej od różnicy temperatur pomiędzy powierzchnią absorbera a
temperaturą otoczenia,
- zależność sprawności roboczej od różnicy średniej temperatury czynnika roboczego a
temperaturą otoczenia.
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 12
Katedra Ciepłownictwa Badanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
7
3.
Metodyka badań
3.1.
Budowa stanowiska
Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego: 1- wodny kolektor słoneczny, 2- zbiornik
akumulacyjny, 3- jednostka sterująca, 4- komputer
Rys. 3. Schemat stanowiska z termicznym kolektorem słonecznym: 1- wodny kolektor
słoneczny, 2- zbiornik akumulacyjny, 3- panel lamp (symulator solarny), 4 - zamknięte
naczynie wzbiorcze
1
2
3
4
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 12
Katedra Ciepłownictwa Badanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
8
3.2.
Parametry badanego kolektora
SOL 2300 SD ESCOSOL® model: SO01501
WYMIARY KOLEKTORA
długość
1 905
mm
szerokość
1 218
mm
wysokość
107
mm
POWIERZCHNIA ODNIESIENIA
powierzchnia absorbera
2,13
m
2
powierzchnia czynna (apertura)
2,23
m
2
powierzchnia całkowita
2,32
m
2
DANE OGÓLNE
typ kolektora
płaski
masa pustego kolektora
kg
masa napełnionego kolektora
kg
nośnik ciepła (czynnik roboczy)
roztwór wodny glikolu propylenowego
minimalny przepływ
75
l/h
maksymalny przepływ (zalecany)
120
l/h/m
2
spadek ciśnienia
140 Pa na 4,9 kg/min i (20 + 2)
˚
C
maksymalne ciśnienie robocze
9
bar
maksymalna temperatura pracy
200
˚
C
pojemność
2,61
l
materiał
profil aluminiowy
materiał uszczelniający
guma EPDM
izolacja termiczna
pianka poliuretanowa CFC 25 mm
(przewodność cieplna λ = 0,030 W/mK)
wełna mineralna 20 mm
(przewodność cieplna λ = 0,036 W/mK)
osłona szklana – materiał:
grubość:
szkło gładkie pryzmatyczne o niskożelazowe
4 mm
ABSORBER
materiał
miedź
powłoka
czarna farba
układ odbioru ciepłą
12 miedzianych przewodów pionowych ϕ12 mm
2 kolektory ϕ22 mm
WYDAJNOŚĆ TERMICZNA
sprawność optyczna η
0
0,734
współczynnik liniowych strat ciepła
a
1
5,668 W/m
2
K
współczynnik kwadratowych strat
ciepła a
2
0,020 W/m
2
K
2
3.3.
Metodyka pomiarów
1)
Otworzyć zawór V-6 na odpływie wody z zasobnika c.w.u.
2)
Za pomocą zaworu V-5 ustawić podany przez prowadzącego przepływ wody
sieciowej.
3)
Zamknąć zawór V-2.
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 12
Katedra Ciepłownictwa Badanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
9
4)
Maksymalnie otworzyć zawór regulacyjny VR-1, znajdujący się za pompą
cyrkulacyjną.
5)
Ustawić panel lamp równolegle do kolektora.
6)
Ustawić podany przez prowadzącego poziom natężenia oświetlenia (pojedyncza lub
podwójna linia świateł)
7)
Zanotować temperatury, ciśnienie i przepływ w obiegu pierwotnym (ST-2, ST-1,
SC-1, manometr 1), temperatury i przepływ w obiegu wtórnym (ST-6, ST-7, SC-2)
oraz temperaturę kolektora (ST-4).
8)
Powtarzać odczyty z punktu 6 w podanych przez prowadzącego odstępach czasu do
momentu ustabilizowania się pracy kolektora.
UWA GA: Ab y uni kną ć uszkod zeni a l a mp zmi a na kąt a nach yl eni a panel u powi nna
być w ykonana pr ze z d wi e osob y.
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 12
Katedra Ciepłownictwa Badanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
10
Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów
Pojedyncza/podwójna linia świateł
Czas
[min]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
T
out I˚
(ST-1)
T
in I˚
(ST-2)
T
in II˚
(ST-6)
T
out II˚
(ST-7)
T
collect ˚
(ST-4)
T
a
(ST-5)
Q
I
˚
[l/h]
˚
(SC-1)
Q
II
˚
[l/h]
˚
(SC-2)
p [Pa] (man. 1)
Data wykonania ćwiczenia:
Podpis prowadzącego:
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 12
Katedra Ciepłownictwa Badanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
11
3.4.
Analiza wyników
1)
W oparciu o wartości temperatury czynnika w obiegu pierwotnym (I°) wyznaczyć
sprawność cieplną kolektora korzystając z zależności (2) i (3). Przyjąć powierzchnię
kolektora A = 2,15 m
2
.
2)
Wyznaczyć sprawność roboczą kolektora słonecznego ze wzorów (4) i (5), przy
założeniu:
η
o
= 0,759
a
1
= 3,48 W/m
2
K,
a
2
= 0,0161 W/m
2
K
2
.
3)
Sporządzić wykresy zależności:
•
sprawności cieplnej kolektora η
c
od różnicy temperatur (T
I
˚
–T
a
),
•
sprawności roboczej kolektora η od różnicy temperatur (T
I
˚
–T
a
),
•
różnicy pomiędzy temperaturą czynnika grzewczego na wyjściu i wejściu do
zbiornika (czynnika podgrzanego) (T
out II
˚
–T
in II
˚
) od czasu t.
4)
Sformułować wnioski.
4.
Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać następujące informacje:
1)
Skład osobowy grupy oraz podpisy, nazwę kierunku studiów, laboratorium i tytuł
ćwiczenia, datę wykonania ćwiczenia,
2)
Określenie poszczególnych zadań wraz z ich rozwiązaniem:
a)
cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego,
b)
niezbędne związki teoretyczne,
c)
opis rzeczywistego stanowiska badawczego,
d)
przebieg realizacji eksperymentu,
e)
wykonanie potrzebnych przeliczeń i zestawień,
f)
wykresy i charakterystyki,
g)
zestawienie i analiza wyników badań.
3)
Analiza dokładności pomiarów.
4)
Posumowanie uzyskanych wyników w postaci syntetycznych wniosków.
5)
Zestawienie załączników (protokołów, taśm rejestracyjnych, itp.).
5.
Wymagania BHP
Do wykonania ćwiczeń dopuszczeni są studenci, którzy zostali przeszkoleni
(na pierwszych zajęciach) w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących
w laboratorium.
W trakcie wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przestrzeganie przepisów
porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego.
Wszystkie czynności związane z uruchamianiem urządzeń elektrycznych należy
wykonywać za zgodą prowadzącego zajęcia.
Zabrania się manipulowania przy wszystkich urządzeniach i przewodach elektrycznych
bez polecenia prowadzącego.
6.
Literatura uzupełniająca
1.
Chwieduk D.: Energetyka słoneczna budynku, ARKADY, Warszawa 2011
2.
Gronowicz J.: Niekonwencjonalne źródła energii. Radom, 2011
3.
Aldo Vieira da Rosa: Fundamentals of renewable energy processes. Amsterdam, 2009
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 12
Katedra Ciepłownictwa Badanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
12
4.
Foit H.: Zastosowanie odnawialnych źródeł ciepła w ogrzewnictwie i wentylacji.
Gliwice, 2011
5.
Pluta Z.: „Słoneczne instalacje energetyczne”, Oficyna wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, warszawa 2007
6.
L. Kołodziejczyk, S. Mańkowski, M. Rubik: „Pomiary w inżynierii sanitarnej”, Arkady
Warszawa 1980