Politechnika
Białostocka
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
Katedra Ciepłownictwa
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
Temat ćwiczenia:
Wyznaczenie
charakterystyk
cieczowego
kolektora słonecznego
Ć
wiczenie nr
11
Laboratorium z przedmiotu:
„Alternatywne źródła energii”
Kod:
Ś
C3066
Opracowała:
mgr inż. Anna Demianiuk
maj 2015
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 11
Katedra Ciepłownictwa
Wyznaczanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
2
1
Cel ćwiczenia
Celem tego ćwiczenia jest ustalenie zależności, jaka występuje między wartością przepływu
w obwodzie pierwotnym i sprawnością kolektora słonecznego.
2
Podstawy teoretyczne
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 (w programie – Wr)
W/m
2
2.2
Podział kolektorów słonecznych
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.
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 11
Katedra Ciepłownictwa
Wyznaczanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
3
Rys. 1. Uproszczony podział kolektorów słonecznych
2.3
Budowa i zasada działania płaskiego termicznego kolektora wodnego
Typowy płaski kolektor wodny składa się z czterech podstawowych elementów:
Rys. 2. Schemat płaskiego kolektora słonecznego: 1- osłona szklana, 2- obudowa,
3- absorber, 4- przewody z czynnikiem roboczym, 5- izolacja
•
przezroczysta osłona – wykonana ze szkła charakteryzującego się wysoką odpornością na
warunki atmosferyczne i uszkodzenia mechaniczne oraz wysoką przepuszczalnością
promieniowania UV i niskim współczynniku 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
KOLEKTORY SŁONECZNE
Kolektory
fotowoltaiczne
KONWERSJA
FOTOELEKTRYCZNA
KONWERSJA
FOTOTERMICZNA
Kolektory
próżniowe
Kolektory
płaskie
Kolektory
magazynujące
płaskie
rurowe
CIECZOWE
POWIETRZNE
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 11
Katedra Ciepłownictwa
Wyznaczanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
4
•
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.
Rys. 3. Całkowite promieniowanie efektywne przy różnych kątach pochylenia płaszczyzny
kolektora w ciągu roku.
Kąt pochylenia kolektora α jest to kąt zawarty między płaszczyzną poziomą
i płaszczyzną kolektora. Największa ilość energii jest odbierana przez kolektor, jeśli
promienie słoneczne padają pod kątem prostym do jego powierzchni. Kąt padania promieni
uzależniony jest jednak od dnia pory roku i pory dnia. W związku z tym, w praktyce,
ustawienie płaszczyzny kolektora należy dobierać tak, aby była skierowana odpowiednio
do pozycji słońca okresu największego promieniowania. Jak zostało udowodnione, kąty
pochylenia α między 30 a 45°są najlepsze w naszej szerokości geograficznej.
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 11
Katedra Ciepłownictwa
Wyznaczanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
5
3
Metodyka badań
3.1
Budowa stanowiska
Rys. 4. Schemat stanowiska badawczego: 1- wodny kolektor słoneczny, 2- zbiornik
akumulacyjny, 3- jednostka sterująca, 4- komputer
Rys. 5. Schemat stanowiska z termicznym kolektorem słonecznym: 1- wodny kolektor
słoneczny, 2- zbiornik akumulacyjny, 3- panel lamp (symulator solarny), 4 -
zamknięte naczynie wzbiorcze
3.2
Metodyka pomiarów
1)
Ustawić panel lamp równolegle do kolektora.
1
2
3
4
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 11
Katedra Ciepłownictwa
Wyznaczanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
6
2)
Zamknąć zawór V-8.
3)
Uruchomić wszystkie lampy (lub tylko jedną linię; 0,4 lub 0,6 kW/m
2
).
4)
Ustawić w obiegu wtórnym przepływ o wartości 1 l/min.
5)
Po osiągnięciu przez czujnik temperatury czynnika roboczego na wejściu do
zbiornika (ST-1) temperatury 50˚C (lub 40˚C przy pojedynczej linii świateł) otworzyć
zawór V-8
6)
Włączyć pompę obiegową.
7)
Za
pomocą
zaworu
VR-1
ustawić
pierwszy
przepływ
bezpośrednio
na przepływomierzu (w przypadku przepływów mniejszych niż 0,2 l/min należy użyć
rotametru C-1).
8)
Po ustabilizowaniu się temperatur zapisać wartości temperatur czujników ST-1
i ST-2 oraz ST-6 i ST-7.
9)
Powtórzyć ćwiczenie dla pozostałych przepływów podanych przez prowadzącego.
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 11
Katedra Ciepłownictwa
Wyznaczanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
7
Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów
Q
˚1
(SC-1)
T1
(ST-1)
T2
(ST-2)
Q
˚2
(SC-2)
T6
(ST-6)
T7
(ST-7)
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
Imię i nazwisko studenta:
Data wykonania ćwiczenia:
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 11
Katedra Ciepłownictwa
Wyznaczanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
8
3.3
Analiza wyników
1)
Sporządzić wykres zależności T1 = f(Q
˚1
) i T2 = f(Q
˚1
) (w jednym układzie
współrzędnych)
2)
Sporządzić wykres zależności T7 = f(Q
˚1
)
3)
Obliczyć sprawność cieplną kolektora dla poszczególnych przepływów w obiegu
pierwotnym korzystając z poniższych zależności:
η =
⋅
u
Q
A E
(1)
gdzie:
A – powierzchnia czynna kolektora [m
2
]
E – natężenie promieniowania [kW/m
2
]
Q
u
– moc użyteczna (ciepło użyteczne) [kW]:
(
)
=
⋅ ⋅
−
&
u
wody
p
Q
m
c
T
T
1
2
(2)
gdzie:
m
wody
– przepływ masowy czynnika roboczego przez kolektor [kg/s]
c
p
– ciepło właściwe czynnika roboczego [kJ/kgK]
T
2
–temperatura czynnika roboczego na wejściu do kolektora [˚C]
T
1
– temperatura czynnika roboczego na wyjściu z kolektora [˚C]
4)
Sformułować wnioski.
4
Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać następujące informacje:
1)
Skład osobowy grupy oraz podpisy, nazwę kierunku studiów, laboratorium i tytuł
ć
wiczenia, 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 (sporządzone na papierze milimetrowym),
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.
Politechnika Białostocka
Ć
wiczenie nr 11
Katedra Ciepłownictwa
Wyznaczanie sprawności cieczowego
kolektora słonecznego
9
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
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