Dorota Chwieduk ITC PW Do kolektorów słonecznych odpowiednich

Szkolenie dotyczące wykorzystania energii słonecznej w sektorze turystycznym,
ze szczególnym uwzglĊdnieniem
gospodarstw agroturystycznych, hoteli, centrów sportowo-rekreacyjnych
organizowane przez Mazowiecką Agencją Energetyczną podczas wystawy
CENERG 2010
Podstawy konstrukcji i przegląd urządzeĔ energetyki słonecznej
płaski kolektor cieczowy
płaski kolektor powietrzny
kolektor próĪniowy
kolektor z rurą ciepła
pompy, układy pomiarowe, sterowanie
zbiorniki magazynujące i wymienniki
Dorota Chwieduk
ITC PW
Podstawowym elementem aktywnych systemów
słonecznych jest kolektor słoneczny.
Zadaniem kolektora jest pochłanianie docierającej do
niego energii promieniowania słonecznego i
przekazanie pozyskanej energii przepływającemu
czynnikowi roboczemu, wodzie lub mieszance
niezamarzającej w systemach cieczowych, lub teĪ
powietrzu w systemach powietrznych.
Do kolektorów słonecznych odpowiednich dla
polskich warunków klimatycznych naleĪą przede
wszystkim nastĊpujące typy:
• płaskie kolektory cieczowe, wĞród których wyróĪniamy:
– kolektory z nieselektywnymi pokryciami absorberów;
– kolektory z selektywnymi pokryciami absorberów;
• kolektory próĪniowe, dziĊki posiadaniu we wnĊtrzu próĪni
ograniczone są znacznie straty cieplne do otoczenia, wyróĪniamy
dwa podstawowe ich typy:
– kolektor próĪniowy rurowy;
– kolektor płasko-powierzchniowy z tzw. niepełną próĪnią,
• niskotemperaturowe kolektory - absorbery; w postaci
elastycznych czarnych elementów rurowych, taĞm lub płytek,
wĞród których wyróĪniamy dwa podstawowe typy to:
– absorbery basenowe;
– absorbery typu elastycznych rur oĪebrowanych.
1
Inne rodzaje kolektorów
•
•
•
•
cieczowe kolektory magazynujące, tzw.
pojemnoĞciowe, które łączą w sobie funkcje kolektora
słonecznego i magazynu energii;
kolektory paraboliczne zwane „dwustronnymi” (w
jĊzyku angielskim „bifacial”), czĊsto z osłoną z izolacji
transparentnych;
kolektory skupiające;
płaskie kolektory powietrzne, stosowane w
budownictwie i bĊdące elementami elewacji, lub
stosowane w rolnictwie do celów suszarniczych.
2
Fot. Viessmann
• Podstawowym elementem płaskiego kolektora
słonecznego jest absorber płytowy lub rurowy.
•
W przypadku absorbera płytowego przepływ czynnika
odbierającego ciepło odbywa siĊ powierzchniowo pod całą płytą
absorbera (czynnikiem odbierającym i transportujący ciepło moĪe
byü ciecz lub powietrze)
• W przypadku absorberów rurowych przepływ
cieczy (wody lub mieszanki niezamarzającej) ma
miejsce w rurach, które usytuowane są
wzglĊdem siebie równolegle
Podstawowymi cechami, którymi powinny charakteryzowaü siĊ
kolektory płaskie są:
• wysoka transmisyjnoĞü osłony;
•
płyta absorbera pokryta powłoką o duĪej selektywnoĞci, czyli o
duĪej absorpcyjnoĞci dla promieniowania słonecznego i o niskiej
emisyjnoĞci dla promieniowania podczerwonego;
•
płyta absorbera o konstrukcji Īebrowej z materiału o duĪej
przewodnoĞci;
•
elementy odprowadzające ciepło w dobrym kontakcie cieplnym z
płytą absorbera;
•
obudowa wodoszczelna z izolacją cieplną od spodu absorbera.
3
NajczĊĞciej spotykane absorbery to:
absorber panelowy
• składa siĊ z rury rozgałĊĨnej i prostych pionowych rur przymocowanych do blachy
oĪebrowanej,
absorber stripowy
• Składa siĊ z pionowych rur zawalcowanych w oĪebrowanej blasze (cienka
miedziana rura znajduje siĊ w Ğrodku dwóch arkuszy blachy aluminiowej i tworzy
pionowy przewód rurowy, którym przepływa czynnik roboczy);
absorber serpentynowy
• Uzwojenia rurowe w kształcie serpentyny przymocowane do płaskiej duĪej blachy;
absorber harfowy
• pionowy, w którym wystĊpują uzwojenia w postaci rur równoległych pionowych z
poziomymi rurami łączącymi, przymocowane do płaskiej blachy;
• poziomy, w którym wystĊpują uzwojenia w postaci rur równoległych poziomych z
pionowymi rurami łączącymi (skrajnymi), przymocowane do płaskiej blachy;
• absorber z jednym kanałem przepływowym – powierzchniowym, który składa siĊ z
dwóch arkuszy blachy termicznie zgrzewanych na koĔcach.
Płaski kolektor
+RW
ZDWHU
VXSSO\
6RODUKHDWHGRXWOHW
*ODVVFRYHU
&ROG
PDLQV
IHHG
&ROG
LQOHW
+HDGHU
WXEH
,QVXODWHGFDVLQJ
5LVHUSLSHV
&ROOHFWRUER[
Płaski cieczowy kolektor słoneczny
Gt
T∞
Gt τ
Gtτ (1 − α )
Gtτα
Tci
4
Kolektor próĪniowy rurowy
Dwa podstawowe typy:
pojedyncza rura próĪniowa z metalowym Īebrem w Ğrodku;
podwójna rura próĪniowa, zwana rurą Dewara lub szklanym termosem
pojedyncza rura próĪniowa z metalowym Īebrem w Ğrodku
absorber- duĪa absorpcyjnoĞü - 0,93 i bardzo niska emisyjnoĞü - 0,03
.
WystĊpuje kilka rozwiązaĔ transportu ciepła w rurze.
•
metalowa U – rura przymocowaną do płyty absorbera
•
pojedyncza prosta rura metalowa wzdłuĪ płyty absorbera
zakoĔczona specjalnymi mieszkami słuĪącymi do zniwelowania
(zaabsorbowania) róĪnicy długoĞci wynikającej z róĪnicy
rozszerzalnoĞci cieplne gorącej rury metalowej i zimnej szklanej
obudowy rurowej;
•
pojedyncza prosta rura metalowa wzdłuĪ płyty absorbera
bĊdąca rurą ciepła, która jest udoskonaleniem poprzedniego
rozwiązania, bowiem nie wystĊpuje tu koniecznoĞü stosowania
zabezpieczeĔ przed róĪnicą w rozszerzalnoĞci cieplnej materiałów.
Kolektor próĪniowy z przepływem bezpoĞrednim
Połączenie kolektorów próĪniowych z obiegiem roboczym
Fot. Viessmann
5
Kolektor prózniowy
rura cieplna
suche połączenie
Fot. Viessmann
Kolektor rurowy próĪniowy z rurą ciepła
Płyta absorbera jest wyposaĪona w rurkĊ
wypełnioną cieczą chłodniczą i wykorzystywane
są oprócz zysków z promieniowania słonecznego
dodatkowe zyski cieplne, wynikające z
kondensacji par czynnika roboczego
(chłodniczego).
CzĊĞü rur znajdująca siĊ na płycie absorbera jest
parownikiem, a czĊĞü poza absorberem jest
skojarzona ze skraplaczem. W działaniu tych
kolektorów wykorzystywane są zjawiska zmiany
stanu skupienia czynnika roboczego –
chłodniczego.
• Charakterystyki cieplne i przepływowe
kolektorów słonecznych są podstawą do
okreĞlania celowoĞci ich wykorzystywania
w konkretnych warunkach dostarczania i
odbioru energii.
• KaĪdy kolektor znajdujący siĊ na rynku
powinien mieü dokumentacjĊ zawierającą
te charakterystyki.
6
SprawnoĞü chwilowa η
wyraĪa stosunek mocy uĪytecznej Qu kolektora
do gĊstoĞci strumienia Is energii promieniowania
słonecznego docierającej do jego powierzchni
czołowej.
η=
ª
§ T f ,i − Ta · º
§ T f ,i − Ta ·
Qu
= FR «(τα ) − U L ¨
¸ » = FR (τα ) − FRU L ¨
¸
Is
© I s ¹ »¼
© Is ¹
«¬
η
A - kolektor bez osłon
B - kolektor z 1 osłoną
C - kolektor próĪniowy
A
C
sprawnoĞü kolektora jest funkcją jego własnoĞci:
•optycznych (τα),
•konstrukcyjnych (FR , UL),
•parametrów pracy (Tf,i)
•warunków zewnĊtrznych (Is, Ta).
B
∆T/Is
Bilans cieplny zbiornika magazynującego
( ρcwV )∆Ts = Q
wej
− Qwyj − Qstr
ρ - gĊstoĞü czynnika magazynującego [kg/m3];
•
•
•
•
•
•
cw - ciepło właĞciwe czynnika magazynującego [kJ/ (kg K)];
V- objĊtoĞü zbiornika magazynującego [m3]; V = 0.05 ÷0.1 Ac
Qwej - energia dopływająca do zbiornika [kJ]
Qwyj - energia odpływająca ze zbiornika [kJ]
Qstr - energia tracona ze zbiornika [kJ]
•
•
•
Us- współczynnik strat ciepła ze zbiornika, [kW/(m3 K)]; Us = 0,0004 Ac
C - współczynnik kształtu zbiornika;
Tv - temperatura otoczenia zbiornika [K].
2
Q str = U sV 3 C (Ts − Tv )
Vc p ρ
dTw
= Qu (t ) − QL (t ) + Qh (t )
dt
11
15
17
23
14
1
13
2
12
16
9
11
25
14
3
21
21
7
11
15
7
17
14
1
23
13
11
9
4
2
12
16
5
24
14
8
3
21
22
9'
7
21
11
7
10
15
17
14
1
23
13
16
9
11
4
2
12
5
14
8
3
21
9
7
10
9'
22
21
20
19
18
6
8