analiza mocy kolektorów słonecznych w korelacji ze średnią
advertisement
ANALIZA MOCY KOLEKTORÓW SŁONECZNYCH W KORELACJI ZE ŚREDNIĄ MIESIĘCZNĄ TEMPERATURĄ POWIETRZA I DŁUGOŚCIĄ DNIA NA PRZYKŁADZIE CIEPŁOWNI AKADEMICKIEJ Autorzy: Robert Starczyk, Dariusz Urbaniak, Rafał Wyczółkowski, Tomasz Wyleciał, Henryk Radomiak ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe: ciepłownia, instalacje solarne, alternatywne źródła energii Streszczenie. We wcześniejszych pracach autorów zaprezentowano strukturę akademickiej ciepłowni, wykorzystującej układy solarne do produkcji ciepła. Praca solarów zależy od efektywności Słońca. Ilość energii docierająca drogą promieniowania od Słońca do miejsca zastosowania solarów jest decydującym parametrem determinującym potencjalne wykorzystanie tych źródeł energii. Od efektywności Słońca zależy również temperatura powietrza w danym obszarze. Ponadto na pracę kolektorów wpływa łączna liczba godzin w danym dniu obecności Słońca na horyzoncie. W pracy przedstawiono zatem wyniki korelacji mocy kolektorów słonecznych z wartościami średniej temperatury powietrza oraz sumaryczną długością dnia w danym miesiącu roku. Przedstawiono ponadto dotychczasowe doświadczenia użytkowania kolektorów w ciepłowni akademickiej, które mogą być pomocne w przyszłych projektach, dotyczących ich wykorzystania. 1. WPROWADZENIE Negatywne oddziaływanie energetyki konwencjonalnej oraz obawy związane z możliwością wyczerpania się naturalnych paliw kopalnych wymuszają działania na rzecz rozwoju alternatywnych odnawialnych źródeł energii [4, 7, 9]. Jako podstawowe źródło energii odnawialnej możliwej do praktycznego wykorzystania przyjmuje się promieniowanie słoneczne. Decyduje o tym fakt, że energia dostarczana w ten sposób do Ziemi jest od kilkunastu do nawet 30 000 razy większa od mocy wszystkich zainstalowanych przez człowieka urządzeń energetycznych [1, 3]. Z licznych możliwych sposobów praktycznego zagospodarowania energii promieniowania słonecznego największą popularność, jak na razie, zyskały instalacje kolektorów słonecznych przeznaczone do przygotowania ciepłej wody użytkowej (cwu) [6]. O rozpowszechnieniu tego typu urządzeń decyduje ich stosunkowo prosta konstrukcja, bez konieczności stosowania zaawansowanych technologii i materiałów, co charakteryzuje panele fotowoltaiczne. Ponadto zaletą większości rodzajów kolektorów słonecznych jest możliwość podłączenia ich do istniejących już w danych budynkach konwencjonalnych systemów wodnych i grzewczych. Energia słoneczna z jednej strony jest wszechobecna, z drugiej zaś strony cechuje się cyklicznością. Intensywność promieniowania słonecznego jest różna w różnych okresach roku (cykliczność roczna), w różnych okresach dnia (cykliczność dzienna), a ponadto może być za- leżna od różnych czynników atmosferycznych (cykliczność stochastyczna) [4]. Tak więc energia uzyskiwana w kolektorach słonecznych jest parametrem zmiennym w czasie. We wcześniejszych pracach autorów zaprezentowano strukturę akademickiej ciepłowni, wykorzystującej układy solarne do produkcji ciepła [8, 10]. Ciepłownia ta produkuje i dostarcza ciepło, które docelowo wykorzystuje się na potrzeby centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej. W pracy poddano analizie ilość energii otrzymanej we wspomnianej instalacji solarnej w korelacji do różnych kombinacji dwóch parametrów. Parametrami tymi były: średnia miesięczna temperatura powietrza ti dla miasta, gdzie usytuowana jest ciepłownia oraz długość dnia i, wyrażona liczbą godzin między wschodem i zachodem słońca w odniesieniu do poszczególnych miesięcy. 2. ILOŚĆ ENERGII ODBIERANA PRZEZ KOLEKTORY Energia, jaką można uzyskać w kolektorach słonecznych, zależy od ilości promieniowania słonecznego, które, po przejściu przez atmosferę ziemską, dociera do ich powierzchni. Należy pamiętać, że energia ta jest mniejsza pod względem wartości od energii, docierającej na orbitę. Spadek ten, określany mianem osłabienia promieniowania, jest efektem procesów odbicia, absorpcji i rozpraszania, jakie zachodzą w atmosferze. Osłabienie natężenia promieniowania zależy od drogi, jaką ono przebywa w atmosferze. Efekt promieniowania zostaje dodatkowo osłabiony przez oddziaływanie zachmurzenia oraz opady. Ponadto ilość promieniowania na powierzchni Ziemi z uwagi na położenie Słońca względem horyzontu oraz warunki pogodowe, zależy istotnie od pory roku [11]. Promieniowanie słoneczne, docierające do powierzchni Ziemi, charakteryzuje się za pomocą wielu różnych parametrów. Największe znaczenie mają trzy z nich: gęstość strumienia promieniowania słonecznego G, nasłonecznienie H oraz usłonecznienie h [5]. Gęstość strumienia promieniowania słonecznego G wyraża sumę strumienia energii promieniowania docierającego do jednostki powierzchni. Jednostką tej wielkości jest W/m2. Na obszarze Polski, w zależności od położenia geograficznego, potencjalne sumy promieniowania całkowitego wahają się od 2999 MJ/m2 (833 kWh/m2) do 4316 MJ/m2 (1199 kWh/m2) [11]. Nasłonecznienie H, zwane również napromieniowaniem, jest energią promieniowania słonecznego, docierającego na jednostkę powierzchni odbiornika w ciągu określonego czasu, np.: godziny, dnia, miesiąca czy roku. Jednostką tej wielkości jest J/m2 lub kWh/m2. Natomiast usłonecznienie h jest liczbą godzin z bezpośrednio widocznym promieniowaniem Słońca. Podobnie jak poprzedni parametr, wielkość ta dotyczy określonego przedziału czasu. Przykładowo dla Warszawy całkowite roczne usłonecznienie w latach 2000-2002 wyniosło odpowiednio: 2275, 2055 i 2059 h [11]. Natomiast średnia roczna dawka energii słonecznej przypadającej na 1 m2 płaszczyzny poziomej dla Warszawy wynosi 983 kWh, przy wieloletnim średnim usłonecznieniu 1579 h [2]. Oprócz wspomnianych parametrów na uzyski i współczynniki efektywności instalacji kolektorów słonecznych fundamentalny wpływ mają również dane meteorologiczne, regionalne wartości promieniowania, współczynniki korekcji uwzględniające usytuowanie kolektorów [11]. Ponadto niezmiernie istotną informacją, dla pełnej oceny zasobów energii słonecznej dla danego obszaru w różnych okresach, jest spodziewana liczba dni z dawkami napromieniowania, które przekracza tzw. wartość progową. W Polsce maksymalna dawka dzienna napromieniowania nachylonej powierzchni płaskiej może osiągnąć wartość 8,2 kWh/m2 [14]. Tak dogodne warunki atmosferyczne nie występują jednak zbyt często. W analizie zasobów energii słonecznej dla instalacji solarnych istotny jest również kąt nachylenia płaszczyzny rozpatrywanego urządzenia. Zagadnienie to jest istotne zwłaszcza na etapie projektowania instalacji. 3. DANE PRZYJĘTE DO ANALIZY Podstawowymi danymi wykorzystanymi w analizie były ilości ciepła Qi uzyskanego w rozpatrywanej instalacji solarnej. Wykorzystano dane dla trzech kolejnych lat, tj. od 2012 do 2014 r, które zestawiono w tabeli 1 [8, 10]. Tabela 1. Ciepło uzyskane w rozpatrywanej instalacji solarnej w poszczególnych miesiącach dla lat 2012-2015 miesiąc 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 suma maks 2012 Qi, GJ 9,79 14,88 48,22 50,95 58,44 62,74 57,46 51,79 40,77 31,25 8,41 6,82 441,52 62,74 2013 2014 średnia 6,22 19,74 47,78 54,20 57,05 58,31 59,42 52,25 36,05 34,91 18,30 11,61 455,84 59,42 12,48 24,65 45,87 52,77 56,33 63,61 68,27 57,03 52,16 40,41 10,72 3,49 487,79 68,27 9,50 19,76 47,29 52,64 57,27 61,55 61,72 53,69 42,99 35,52 12,48 7,31 461,72 61,72 Jak wspomniano wcześniej na energię docierającą do powierzchni kolektorów wpływa m. in. intensywność promieniowania Słońca. Od efektywności Słońca zależy również temperatura powietrza w danym obszarze. Ponadto na pracę kolektorów wpływa łączna liczba godzin w danym dniu obecności Słońca na horyzoncie. W pracy przedstawiono zatem wyniki korelacji mocy kolektorów słonecznych z wartościami średniej temperatury powietrza oraz sumaryczną długością dnia w danym miesiącu roku. Dane przedstawione w tabeli 1 skorelowano z danymi z tabel 2 i 3. Tabela 2 przedstawia wartości średnich miesięcznych temperatur powietrza ti właściwych dla miejsca instalacji w latach 2012-2014 [12]. Natomiast tabela 3 zawiera sumę godzin trwania dnia i (czas między wschodem i zachodem słońca) w danym miesiącu [13]. W dalszym opisie parametr ten nazywany będzie w skrócie czasem słonecznym. Tabela 2. Średnie miesięczne temperatury powietrza dla miejsca instalacji w latach 2012-2014 [12] miesiąc 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2012 ti C -1 -6 4 7 14 17 19 17 14 8 6 -3 Ti K 272 267 277 280 287 290 292 290 287 281 279 270 2013 ti C -3 -1 -2 8 12 16 19 17 11 9 4 2 Ti K 270 272 271 281 285 289 292 290 284 282 277 275 2014 ti C -2 2 6 10 13 16 20 17 14 10 5 0 Ti K średnia ti Ti C K 271 271 276 281 286 289 292 290 286 282 278 273 -2 -2 3 8 13 16 19 17 13 9 5 0 271 271 276 281 286 289 292 290 286 282 278 273 Tabela 3. Suma godzin trwania dnia w danym miesiącu [13] miesiąc 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 suma i, h 265 281 369 415 481 492 495 449 378 331 269 249 4475 4. WYNIKI Celem pracy było określenie zależności średniej temperatury powietrza oraz długości dnia na efekt pracy kolektorów zainstalowanych na budynkach ciepłowni akademickiej. Wyniki korelacyjne między tymi parametrami zestawiono na rysunkach 1- 8. 70 60 2012 ilość ciepła, GJ 50 40 30 20 10 0 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Średnie miesięczne temperatury [oC] Rys. 1. Zależność ilości ciepła pochłoniętego przez kolektory słoneczne ciepłowni akademickiej w miesiącu od wartości średniej temperatury miesiąca dla roku 2012 70 60 2013 ilość ciepła, GJ 50 40 30 20 10 0 -5 0 5 10 15 20 25 Średnie miesięczne temperatury [oC] Rys. 2. Zależność ilości ciepła pochłoniętego przez kolektory słoneczne ciepłowni akademickiej w miesiącu od wartości średniej temperatury miesiąca dla roku 2013 Można stwierdzić, że wraz ze wzrostem temperatury powietrza rośnie wartość ilości ciepła pochłoniętego przez kolektory. Jak wcześniej wspomniano, efektywność pracy kolektorów zależy od dużej liczby parametrów. Stąd tendencja wzrostowa nie jest jednoznaczna. Pewne punkty na wykresie znajdują się powyżej linii trendu, inne poniżej. Punkty poniżej charakte- ryzują miesiące zimowe, gdzie długość dnia jest relatywnie krótka. Zatem ilość ciepła pozyskiwana przez ten czas jest mniejsza. Analizując dane dla roku 2013, można powtórzyć treść właściwą dla roku 2012. Generalnie ilość ciepła pochłoniętego przez kolektory jest rosnącą liniową funkcją temperatury powietrza, przy czym dla miesięcy zimowych ta tendencja jest sytuowana poniżej wartości uśrednionych, dla miesięcy letnich – powyżej. 80 70 2014 ilość ciepła, GJ 60 50 40 30 20 10 0 -5 0 5 10 15 20 25 Średnie miesięczne temperatury [oC] Rys. 3. Zależność ilości ciepła pochłoniętego przez kolektory słoneczne ciepłowni akademickiej w miesiącu od wartości średniej temperatury miesiąca dla roku 2014 70 Średnia ilość ciepła, GJ 60 50 40 30 2012-2014 20 10 0 -5 0 5 10 15 20 25 Średnie miesięczne temperatury [oC] Rys. 4. Zależność uśrednionej ilości ciepła pochłoniętego przez kolektory słoneczne ciepłowni akademickiej w miesiącu od uśrednionej wartości średniej temperatury miesiąca dla lat 2012-2014 Dla roku 2014 wyniki charakteryzujące poszczególne miesiące są najbliższe uśrednionej linii trendu. Teza, że temperatura powietrza jest czynnikiem znacząco wpływającym na ilość pochłoniętego ciepła jest obarczona najmniejszym błędem odchylenia. Analiza uśrednionych wartości dla lat 2012-2014 jest niejako wypadkową analizy dla poszczególnych lat z tego okresu. Potwierdza się obserwacja, że wraz ze wzrostem wartości temperatury powietrza rośnie wartość ciepła docierającego do powierzchni Ziemi, a tym samym ciepła potencjalnie możliwego do pochłonięcia przez kolektory słoneczne. 70 60 ilość ciepła, GJ 50 2012 40 30 20 10 0 200 250 300 350 400 450 500 550 Średnia suma godzin trwania dnia w miesiącu [h] Rys. 5. Zależność ilości ciepła pochłoniętego przez kolektory słoneczne ciepłowni akademickiej w miesiącu od uśrednionej długości dnia miesiąca dla roku 2012 70 60 ilość ciepła, GJ 50 2013 40 30 20 10 0 200 250 300 350 400 450 500 550 Średnia suma godzin trwania dnia w miesiącu [h] Rys. 6. Zależność ilości ciepła pochłoniętego przez kolektory słoneczne ciepłowni akademickiej w miesiącu od uśrednionej długości dnia miesiąca dla roku 2013 70 60 2014 ilość ciepła, GJ 50 40 30 20 10 0 200 250 300 350 400 450 500 550 Średnia suma godzin trwania dnia w miesiącu [h] Rys. 7. Zależność ilości ciepła pochłoniętego przez kolektory słoneczne ciepłowni akademickiej w miesiącu od uśrednionej długości dnia miesiąca dla roku 2014 70 Średnia ilość ciepła, GJ 60 2012-2014 50 40 30 20 10 0 200 250 300 350 400 450 500 550 Średnia suma godzin trwania dnia w miesiącu [h] Rys. 8. Zależność uśrednionej ilości ciepła pochłoniętego przez kolektory słoneczne ciepłowni akademickiej w miesiącu od uśrednionej długości dnia miesiąca w latach 2012-2014 Analizując wykresy 5-8, można stwierdzić jednoznacznie, że sumaryczna długość dnia w miesiącach zdecydowanie wpływa na ilość ciepła pochłoniętego przez kolektory słoneczne. Tendencja ta jest prawie idealnie rosnąca liniowo, co nie zawsze charakteryzuje wpływ temperatury powietrza na ilość pochłoniętego ciepła. W przypadku sumarycznej długości dnia w danym miesiącu wartości dla poszczególnych dni zostały zsumowane, przez co ich wpływ na efekt pracy kolektorów został niejako zwielokrotniony. Zsumowane różnice godzin między wschodem Słońca, a zachodem w przypadku dłuższych dni jeszcze bardziej różnią się od tych dla dni krótszych. W przypadku badania wpływu średniej temperatury wzięto pod uwagę wartości dla pojedynczego reprezentatywnego dnia i w związku z tym charakter tej korelacji ma inny przebieg. Dla uśrednionej wartości długości dnia w poszczególnych miesiącach roku prawdopodobnie rezulat obserwacji mógłby być podobny do obserwacji poczynionych dla wpływu temperatury powietrza. 5 PODSUMOWANIE Jak wcześniej stwierdzono, ilość parametrów determinujących efekt pracy kolektorów słonecznych jest duża. W pracy badano jedynie wpływ dwóch z nich – temperatury powietrza oraz długości dnia. W każdym z tych przypadków efekt jest taki sam. Tendencja charakterystyki mocy kolektorów w funkcji średniej temperatury powietrza, jak i długości dnia wykazuje rosnącą liniowo zależność. Przy czym w niektórych przypadkach nie jest to takie jednoznaczne. Zwłaszcza w przypadku badania wpływu temperatury powietrza. Dla podobnych wartości temperatury powietrza występują różniące się znacząco wartości ilości ciepła. Tak więc określenie potencjalnego zasobu kolektorów jedynie tym parametrem, może w rezultacie być przyczyną błędów projektowych. W pracy początkowo zamierzano skupić się na dotychczasowych problemach eksploatacyjnych, jakie miały miejsce w przypadku użytkowania kolektorów w ciepłowni akademickiej. Kolektory zostały bowiem zainstalowane w 2006 roku, tak więc już kilka lat służą na rzecz podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Po przeprowadzonych konsultacjach z pracownikami ciepłowni stwierdzono jednak, że większych problemów eksploatacyjnych nie było. Jedyna znacząca awaria, to konieczność wymiany jednego z paneli. Po wystąpieniu nadzwyczajnych opadów z gradem o postaci znacznych brył nastąpiło zbicie powierzchni zewnętrznej kolektora. W ramach napraw gwarancyjnych przyczyna awarii została usunięta. Ponadto obserwacje otoczenia kolektorów pozwoliły zaproponować pewne dość istotne zmiany w projekcie instalacji. Kolektory pracują na zewnętrz budynków. Ich praca zależna jest od właściwej pracy układu automatyki – czujników, przewodów, przetworników. W przypadku analizowanej instalacji kolektorów elementy te zostały niedostatecznie zabezpieczone przed działalnością okolicznego ptactwa. Otóż otuliny izolujące przewody, którymi płynie czynnik roboczy, stały się obiektem działania ptaków, przez co uległy one częściowemu demontażowi. Ta działalność w niektórych przypadkach była również przyczyną awarii układu automatyki. W konsekwencji tych obserwacji zaproponowano przewody izolacyjne wraz z elementami automatyki zabezpieczyć dodatkowo otuliną z blachy. W niewielkim stopniu podroży to koszty inwestycyjne, a w znacznym stopniu pozwoli uniknąć kosztów eksploatacyjnych czy ewentualnych przestojów. Autorzy mają nadzieję, że zaprezentowane treści mogą być pomocne w przyszłych projektach, dotyczących wykorzystania instalacji solarnych. LITERATURA [1] Bogdanienko J.: Odnawialne źródła energii. Biblioteka Problemów, Problemów. 290, PWN, Warszawa 1989. [2] Bogdańska B., Podogrodzki J.: Zmienność całkowitego promieniowania słonecznego na obszarze Polski w okresie 1961-1995. Warszawa: IMiGW 2000. [3] Ciechanowicz W.: Energia, środowisko i ekonomia. Instytut Badań Systemowych PAN, Warszawa 1997. [4] Lewandowski W. M.: Proekologiczne źródła energii odnawialnej. WNT, Warszawa 2001. [5] Pluta Z.: Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2006. [6] Pluta Z.: Słoneczne instalacje energetyczne. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008. [7] Sarniak M. T.: Podstawy fotowoltaniki. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008. [8] Starczyk R. , Urbaniak D., Wyleciał T., Wyczółkowski R.: Analiza efektywności pracy układu solarnego wspomagającego kotły węglowe. Rynek Ciepła. Materiały i studia. Pr. zbior. pod red. Henryka Kapronia, 2013. [9] Strategia rozwoju energetyki odnawialnej. Ministerstwo Środowiska, Warszawa 2000. [10] Urbaniak D., Wyleciał T., Wyczółkowski R., Starczyk R.: Możliwości wykorzystania solarów na przykładzie ciepłowni akademickiej. Rynek Energii 2014, nr 5 (114). [11] Zawadzki M.: Kolektory słoneczne pompy ciepła na tak. Wydawnictwo ZAWADZKI, 2003. [12] www.imgw.pl/klimat [13] http://halloween.friko.net/slonce/Czestochowa [14] www.ekologika.pl - Wykorzystanie energii słonecznej za pośrednictwem kolektorów słonecznych. Prof. Andrzej Chochowski, Katedra Mechanizacji i Energetyki Rolnictwa SGGW. ANALYSIS OF SOLAR POWER IN CORRELATION WITH THE AVERAGE MONTHLY AIR TEMPERATURE AND DAY LENGTH ON THE EXAMPLE OF ACADEMIC HEATING PLANT Key words: heating plant, solar energy systems, alternative energy sources Summary. The structure of academic heating plants, using solar systems for heat production is presented in earlier papers of authors. A power of solar panel depends on the effectiveness of the Sun. The amount of energy that reaches by radiation from the sun to the place of use solar panel is a critical parameter in determining the potential use of these energy sources. An air temperature in an area also depends on the effectiveness of the sun. In addition, solar power affects the total number of hours in a given day presence of the sun on the horizon. Therefore, the results of solar power correlation with the values of the average air temperature and the total length of the day in a given month of the year is presented in the work. Moreover, past experiences of use of collectors in the academic heating plant, which can be helpful in future projects concerning their use, were presented. Robert Starczyk, mgr inż., pracuje na stanowisku kierownika ciepłowni Politechniki Częstochowskiej. Dariusz Urbaniak, dr inż., pracuje na stanowisku adiunkta w Instytucie Maszyn Cieplnych Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechniki Częstochowskiej. W swoich pracach naukowych zajmuje się zagadnieniami przeróbki mechanicznej surowców mineralnych (rozdrabnianie i klasyfikacja przepływowa) oraz przepływem ciepła w różnego rodzaju procesach technicznych i przemysłowych. Przedmiotem badań autora są młyny pneumatyczne, klasyfikatory przepływowe, elektrownie, ciepłownie. Interesuje się muzyką, dobrym filmem. Tomasz Wyleciał, dr inż., pracuje na stanowisku adiunkta w Katedrze Pieców Przemysłowych i Ochrony Środowiska, Wydziału Inżynierii Produkcji i Technologii Materiałów Politechniki Częstochowskiej. Zajmuje się zagadnieniami przeróbki mechanicznej surowców mineralnych (rozdrabnianie i klasyfikacja przepływowa) oraz przepływem ciepła w różnego rodzaju procesach technicznych i przemysłowych. Rafał Wyczółkowski, dr inż., pracuje na stanowisku adiunkta w Katedrze Pieców Przemysłowych i Ochrony Środowiska, Wydziału Inżynierii Produkcji i Technologii Materiałów Politechniki Częstochowskiej. W swoich zainteresowaniach naukowych zajmuje się szeroko pojętą problematyka wymiany ciepła w różnego rodzaju procesach technicznych i przemysłowych. Głównym obszarem badań z tego zakresu są problemy nagrzewania wsadu porowatego i zastosowań praktycznych termowizji. Jako hobby, w wolnych chwilach uprawia amatorsko triathlon. Henryk Radomiak, dr hab. inż., pracuje na stanowisku profesora w Katedrze Pieców Przemysłowych i Ochrony Środowiska, Wydziału Inżynierii Produkcji i Technologii Materiałów Politechniki Częstochowskiej. Zajmuje się zagadnieniami spalania paliw oraz przepływem ciepła w różnego rodzaju procesach technicznych i przemysłowych.
