3.1 Instalacje solarne - Wprowadzenie
advertisement
Instalacje solarne Wprowadzenie Zastosowanie energii słonecznej: 1. Wytwarzanie elektryczności – ogniwa fotowoltaiczne 2. Wytwarzanie ciepła Hotelach i pensjonatach, ośrodkach wypoczynkowych, polach namiotowych W basenach i obiektach sportowych wykorzystywanych w lecie W zakładach przemysłowych zużywających duże ilości ciepłej wody Zakładach kąpielowych, łaźniach W domach jednorodzinnych wykorzystujących energie elektryczna do produkcji ciepłej wody Zysk energii cieplnej z 1 m2 kolektora słonecznego, w poszczególnych miesiącach 180 140 120 100 80 145,9 60 100,82 160,88 158,62 151,01 118,71 117,68 73,49 40 20 33,76 46,01 29,81 23,73 Grudzień Listopad Październik Wrzesień Sierpień Lipiec Czerwiec Maj Kwiecieć Marzec Luty 0 Styczeń Zysk Energii [kW] 160 Nasłonecznienie I usłonecznienie Dostępność energii promieniowania słonecznego Usłonecznienie w Europie Czas nasłonecznienia w lecie 16 godz/dzień w zimie do 8 godz/dzień maksymalnie 1600 godz/rok 365 dni x 12 godz. = 4380 godz/rok 80% całkowitej sumy nasłonecznienia przypada na 6 miesięcy sezonu wiosenno-letniego 13 Instalacja solarna Promieniowanie słoneczne jest to strumień energii, wysyłany przez słońce. Do zewnętrznych warstw atmosfery ziemskiej dociera moc 1,36 kW/m2 (tzw. stała słoneczna). Promieniowanie słoneczne całkowite, docierające do powierzchni Ziemi jest wypadkową promieniowania bezpośredniego i rozproszonego. W naszej strefie klimatycznej suma promieniowania bezpośredniego i rozproszonego wynosi ok. 1,0 kW/m2. Kolektor słoneczny może przekształcić w ciepło użytkowe do 75% promieniowania słonecznego całkowitego. Kolektory słoneczne umożliwiają nam pozyskanie darmowej energii słonecznej i wykorzystanie jej do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. W naszych warunkach klimatycznych budowanie systemów solarnych wspomagających pracę centralnego ogrzewania nie jest jeszcze uzasadnione ekonomicznie. Wykres zapotrzebowania ciepła na potrzeby c.o.(krzywa a) w stosunku do dostępnej energii promieniowania słonecznego (krzywa b) w ciągu roku Wykres zapotrzebowania ciepła na potrzeby c.w.u.(krzywa a) w stosunku do dostępnej energii promieniowania słonecznego (krzywa b) w ciągu roku Kolektory można podzielić na: płaskie - gazowe - cieczowe - dwufazowe rurowe (nazywane też próżniowymi, w których rolę izolacji spełniają próżniowe rury) skupiające (prawie zawsze cieczowe) specjalne (np. okno termiczne, transparentna) izolacja Budowa kolektorów płaskich Szyba solarna - najlepiej wykonana ze szkła o niskiej zawartości tlenków żelaza. Raczej nie stosuje się pokryw z tworzyw sztucznych, gdyż niszczeją stosunkowo szybko pod wpływem wysokich temperatur, promieniowania UV oraz mogą na nich powstawać zarysowania, które obniżą przepuszczalność promieni słonecznych. Zastosowanie pryzmatycznej szyby szklanej może znacznie polepszyć wydajność kolektorów. Absorber - główny element kolektora słonecznego. Powinien być wykonany z metalu dobrze przewodzącego ciepło; najczęściej jest to miedź (najlepiej) albo aluminium. Metal ten jest pokryty substancjami, tworzącymi jego powłokę. W zależności od rodzaju kolektora, może być to powłoka nieselektywna (bardzo dobrze absorbuje ciepło, ale także dużo go emitują) lub selektywna (również bardzo dobrze absorbuje ciepło, a jednocześnie ogranicza emisję). Powłoki nieselektywne wykonuje się z czarnych lakierów, a selektywne w wyniku galwanicznego nałożenia czarnego chromu. Oczywiście powłoki selektywne są znacznie lepsze. Rurki przylutowane do płyty absorbera, przez które przepływa ciecz robocza – czynnikiem grzewczym jest płyn solarny produkowany na bazie glikolu propylenowego. Szczelna obudowa - najczęściej aluminiowa Izolacja termiczna - Jako izolator stosuje się najczęściej wełnę mineralną lub poliuretan Kolektor płaski Kolektory płaskie zbudowane są w formie płyty metalowej (miedzianej) pokrytej powłoką selektywną, która absorbuje promieniowanie słoneczne. Ciepło odbierane jest przez ciecz solarną, która płynie w systemie rurek miedzianych stykających się z płytą odbierającą ciepło. Budowa płaskiego kolektora słonecznego: V - wylot ogrzanego czynnika grzewczego, R wlot czynnika grzewczego, M - miejsce pomiaru temperatury, 1 - szyba ochronna, 2 absorber, 3 - rurki miedziane, 4 - izolacja, 5 - tylna ściana obudowy, 6 - rama montażowa z włókien szklanych, 7 - narożnik wzmacniający, 8 - osłona kolektora zbiorczego 1.rama aluminiowa 2. szkło hartowane 3.panele aluminiowe z warstwą wysoko selektywną 4. wężownica miedziana 5. kolektor miedziany 6. uszczelka silikonowa 7. izolacja termiczna 8. korpus z blachy aluminiowej Kolektory słoneczne płaskie są przeważnie wyposażane w przykrycie ze szkła solarnego lub też antyrefleksyjnego. Szczególnie szkło antyrefleksyjne zapewnia wysoką przepuszczalność promieniowania słonecznego w granicach nawet 95% (szkło solarne ok. 90%, a szkło zwykłe – 70-80%). Oczywiście szkło stosowane w kolektorach powinno być odporne i na stałe naciski (śnieg), i na uderzenia (grad), toteż jest ono hartowane. Wytrzymałość szyby podlega badaniom jakościowym, jakie przechodzą kolektory słoneczne chcące spełnić rygorystyczne wymagania normy europejskiej i polskiej zarazem PN-EN 12975. Wentylacja kolektora: Jednym z „mankamentów” kolektorów płaskich jest obecność powietrza wewnątrz, które odbiera ciepło z absorbera i oddaje je następnie do otoczenia. Taka mikrowentylacja obudowy kolektora słonecznego jest koniecznością, aby zapewnić jego „oddychanie”. Konieczność ta wynika z materiałów izolacyjnych takich, jak np. wełna mineralna. Absorber: „Sercem” kolektora słonecznego jest absorber a w szczególności powierzchnia absorpcyjna – pochłaniająca promieniowanie słoneczne. Dawniej blachy absorberów pokrywane były warstwą galwaniczną czarnego chromu lub niklu. Obecnie stosowane nowoczesne powłoki pozwalają zwiększyć wydajność kolektorów słonecznych. Absorber: Decydujące znaczenie w zapewnieniu kolektorowi słonecznemu wysokiej i niezmiennej sprawności pracy podczas wieloletniej eksploatacji, odgrywa absorber. Dotyczy to przede wszystkim jego matowego pokrycia, które narażone jest na niską ujemną i wysoką temperaturę pracy (nawet do 300°C). Zjawisko tzw. starzenia się warstwy absorpcyjnej polega na tym, że z czasem tracone mogą być zdolności do pochłaniania promieniowania słonecznego. W przypadku złej jakości warstwy wystarczy nawet okres kilku lat pracy, po których znacznie obniżyć może się sprawność kolektora. Absorber kolektora słonecznego, który zbudowany jest z kawałków blachy ma mniejszą sprawność pochłaniania energii ponieważ przez szczeliny pomiędzy tymi paskami następują straty energii co ilustruje poniższy przykład. Dwa rodzaje płaskich kolektorów słonecznych: meandrowe i harfowe Zalety płaskiego kolektora słonecznego: ogólnodostępna energia słoneczna, nieszkodliwy dla środowiska naturalnego, estetyczny "futurystyczny" wygląd, ciepła woda bez rachunków i opłat, możliwość uzyskania wysokiej temperatury wody w stosunkowo krótkim czasie, możliwość wspomożenia instalacji centralnego ogrzewania oraz innych instalacji grzewczych z pompami ciepła, długi czas eksploatacji dzięki zastosowaniu materiałów odpornych na korozję, minimalne zużycie prądu przez układ regulacyjno-zabezpieczający, automatyczna regulacja bez ingerencji człowieka, system pracy - "konwekcyjny", bez udziału pomp wymuszających obieg, instalacja bezciśnieniowa, zwiększenie sprawności konstrukcji kolektora, poprzez ewentualne zastosowanie realnie szybki zwrot kosztów inwestycji instalacji solarnej (3-8 lat) obrotowej Wady płaskiego kolektora słonecznego: możliwość najefektywniejszego wykorzystania w miesiącach kwiecień-wrzesień, niższa temperatura wody w miesiącach październik-marzec oraz podczas dni pochmurnych, stosunkowo wysokie wciąż jeszcze koszty systemów solarnych w przypadku zestawu obsługującego dom jednorodzinny, w którym zamieszkują 4 osoby (w zależności od producenta, ilości kolektorów oraz innych zastosowanych urządzeń od 6-18 tyś. złotych) Kolektory próżniowe Kolektory próżniowe możemy podzielić ze względu na dwa kryteria. budowę próżniowej rury: - rury termosowe o podwójnej ściance szkła gdzie absorber napylany jest na zewnętrzną ściankę wewnętrznej rury. - rury o pojedynczej ściance gdzie płaski absorber umieszczony jest wewnątrz próżniowej rury. ze względu na sposób wymiany ciepła: - o przepływie bezpośrednim gdzie wymiana ciepła jest jednofazowa analogicznie jak w kolektorze płaskim - heat pipe (ciepłowód, gorąca rurka) gdzie wymiana ciepła jest dwufazowa. Kolektor próżniowy W rurkach ciepła znajduje się łatwoodparowywująca ciecz (temperatura wrzenia 30 °C), która w przy ogrzewaniu rur przez słońce zaczyna parować i para konwekcyjnie przechodzi do końcówki rury (kondensatora), umiejscowionej w kanale zbiorczym będącym wymiennikiem ciepła. Kolektory próżniowe Ogrzewanie płynu w rurach próżniowych może działać na dwa sposoby w zależności od typu kolektora: I. Podobnie jak w kolektorach płaskich poprzez kanały przepływowe z czynnikiem grzewczym, które mają postać litery U w rurze próżniowej (ogrzewanie płynu następuje przy jego przepływie przez kanał). Pierwszy sposób ogrzewania płynu w rurach próżniowych Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej. Kolektor próżniowy rury termosowe o przepływie bezpośrednim Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej. Lustra CPC - Warto wiedzieć że promienie słoneczne, wbrew rysunkom prezentowanym na wielu stronach internetowych, nie padają wyłącznie pod kątem prostym na lustro, co powoduje, że promienie padające pomiędzy rury nie zawsze odbiją się w stronę absorbera, - lustro umieszczone za rurami próżniowymi stanowi w przypadku usytuowania kolektorów na otwartej przestrzeni swoisty „żagiel" i zachodzi konieczność stosowania mocniejszej konstrukcji mocującej w wyniku naporu wiatru, - lustro w przypadku opadów śniegu może powodować jego zaleganie, co ogranicza wydajność kolektora, - podniesienie sprawności kolektora w wyniku zastosowania lustra możliwe jest jedynie w przypadku: wykorzystania specjalnych materiałów (np. tak zwana solarna blacha aluminiowa anodowana) zapewniających opóźnione starzenie powierzchni oraz zabezpieczenie przed osiadaniem zanieczyszczeń, zapewnienia geometrii lustra dostosowanej do trajektorii ruchu słońca, właściwego mocowania lustra zapewniającego stałe położenie za rurami. Koszt takiego prawidłowo działającego lustra jest wysoki, co znacznie podniesie cenę naszego kolektora i zastosowanie lustra nie zrekompensuje tego kosztu. - w dobrze wykonanym lustrze widać wyłącznie absorber kolektora. Każde „jasne pasemka" świadczą o nieprawidłowościach. II. Poprzez zamkniętą pojedynczą rurę nazywaną także „rurką ciepła” i działającą na zasadzie kondensatora. 1 - aluminiowa powłoka 2 - rura próżniowa 3 - zamknięcie 4 - rurka cieplna Heat-pipe Nowoczesne konstrukcje kolektory próżniowe typu "direct flow" 1 rurka doprowadzająca zimny czynnik 2 rurka odprowadzająca ogrzany czynnik 3 zewnętrzna część rury próżniowej 4 przestrzeń próżni 5 wewnętrzna część rury próżniowej 6 przestrzeń powrotu ogrzanego czynnika 7 wypełnienie rury próżniowej Poprzez kondensator ciepło oddawane jest do kanału głównego w szynie zbiorczej kolektora zaś para w kondensatorze schładza się, zamienia w ciecz i spływa na dół do ponownego nagrzania. Kolektory próżniowe z rurkami ciepła są bardziej efektywnym przepływowego. systemem od systemu Wyższa sprawność pozwala na oferowanie kolektorów próżniowych do podgrzewaczu ciepłej wody użytkowej dla obiektów o ograniczonej powierzchni dachowej pod kolektory lub płaskiej powierzchni dachowej o ograniczonej nośności. Umieszczone na tych obiektach kolektory próżniowe z uwagi na swoją konstrukcję powodują niższe obciążenia wynikające z naporu wiatru lub nacisku śniegu. Rurowe kolektory próżniowe są do 30% sprawniejsze od kolektorów płaskich w okresach wiosennym i jesiennym oraz do 60% sprawniejsze w okresie zimowym. Wykazują stały poziom absorpcji promieniowania w ciągu całego dnia gdyż powierzchnia absorpcji nie zależy od kąta padania promieni słonecznych tak jak w kolektorach płaskich. hybrydowy kolektor słoneczny hybrydowy kolektor słoneczny Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej. Dzienna ekspozycja na promieniowanie słoneczne (x-powierzchnia czynna absorpcji) Różnica w zastosowaniu kolektora rurowego i próżniowego podczas zimy Rurka cieplna znajdująca się wewnątrz tuby próżniowej, działająca na zasadzie pompy ciepła zapewnia pracę kolektora słonecznego nawet w dni pochmurne, a próżnia chroni przed utratą pochłoniętego ciepła. W kolektorach, które nie wykorzystują zasady pompy ciepła i nie mają izolacji próżniowej nastąpić może w zimne i pochmurne dni efekt poboru ciepła z instalacji wody użytkowej lub grzewczej. Różnica w zastosowaniu kolektora płaskiego i próżniowego w dni pochmurne Kolektor płaski o powierzchni absorbera 2,60m2 posiada podobną wydajność roczną, co próżniowy kolektor o powierzchni absorbera 2,20m2. 1 m2 kolektora płaskiego = 0.85 m2 kolektora próżniowego Kolektor płaski musi mieć o 15% większą powierzchnię absorbera niż kolektor próżniowy, aby uzyskać podobną wydajność grzewczą. Porównanie sprawności kolektora płaskiego i próżniowego Zalety kolektorów rurowych próżniowych: wyższa wydajność w porównaniu do innych systemów, w przekroju całorocznym wysokie przychody ciepła już przy niewielkiej powierzchni kolektora optymalna wydajność także w przypadku nieprzychylnego kąta padania promieni słonecznych szczególnie długa żywotność rurki szklanej wykorzystanie tzw." promieniowania rozproszonego" poprzez zastosowanie specjalnie profilowanych powierzchni lustrzanych trwała konstrukcja Stopień pokrycia potrzeb ciepła w okresie roku dla tej samej instalacji podgrzewu c.w.u. w budynku jednorodzinnym, przy dwóch typach kolektora słonecznego Porównanie: kolektorów płaskich i próżniowych Kolektory elastyczne Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej. Przykład instalacji z kolektorami elastycznymi Próżniowe kolektory słoneczne wyposażane w dodatkowe zwierciadła (tzw. CPC) mogą zyskiwać dodatkowe promieniowanie słoneczne, pod warunkiem, że powierzchnie lustrzane będą czyste i nie będą matowieć w czasie eksploatacji. W warunkach środkowoeuropejskich warunki meteorologiczne nie są jednak tak korzystne i do zabrudzenia powierzchni dochodzi w szybkim czasie. Może się okazać, że sprawność kolektorów próżniowych będzie zdecydowanie niższa niż kolektorów płaskich. Okazuje się, że w zakresie temperatury, jaka występuje podczas pracy kolektorów dla podgrzewania ciepłej wody użytkowej sprawność kolektora próżniowego o podwójnym przeszkleniu będzie zdecydowanie niższa od kolektorów i próżniowych, i płaskich z jedną szybą. Nawet dla wyższej temperatury (wspomaganie ogrzewania), sprawność ta może pozostawać niższa i jedynie w niewielkim zakresie pracy (w praktyce rzadkie układy technologiczne, klimatyzacyjne) sprawność kolektora próżniowego „2warstwowego” będzie wyższa niż płaskiego dobrej klasy technicznej . Nasłonecznienie 800 W/m2 Moc jednostkowa kolektorów słonecznych W/m2 Porównanie sprawności podstawowych typów kolektorów słonecznych oraz mocy jednostkowych W/m2 (na podstawie danych producentów konkretnych urządzeń tego typu) Nachylenie kolektora Ukierunkowanie kolektora Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej. Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej. Aby uzyskać najlepsze efekty (wydajność) kolektora należy: Stroną absorpcyjną powinien być zwrócony na południe Powinien być pochylony pod kątem 45 (jest to kąt „średni” – jeśli ma być używany tylko w miesiącach letnich powinien być nachylony pod kątem 30 a jeśli w okresie zimowym kat nachylenia powinien wynosić 60) Powinien być instalowany w miejscach nie zacienionych, a w takich gdzie jest swobodny dostęp światła słonecznego. Ważne jest to aby kolektor miał wysoki współczynnik absorpcji najlepiej powyżej 0,95 oraz niski współczynnik emisji – najlepiej poniżej 0,1. Instalacja solarna Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej. Układ kolektorów słonecznych do podgrzewania basenu oraz zasobnika Po nagrzaniu zasobnika do określonej temperatury elektrozawór tródrożny przekierowuje cieplo do ogrzewania basenu Schemat instalacji solarnej gdzie kolektory umieszczone są na dwóch przeciwległych połaciach / wschodnia - zachodnia / Elektrozawór trójdrożny przekierowuje glikol w tą połać która osiąga wyższą temperaturę Schemat instalacji ciepłej wody użytkowej, basenu kąpielowego i wspomagania ogrzewania dla budynku zasilanego energią z baterii kolektorów słonecznych, kotła c.o. i kominka Sprawność kolektora zależy gównie od: - parametrów konstrukcyjnych: materiału z jakiego został wykonany, rodzaju powłoki absorpcyjnej i izolacji termicznej oraz zastosowanego układu przewodów (harfowy czy meandrowy), - parametrów technicznych: współczynnika absorpcji promieniowania krótkofalowego - najlepiej jeśli sięga on wartości 0,95 i współczynnika emisji, który w zakresie długich fal powinien być z kolei jak najniższy i wynosić maksymalnie 0,1. Wydajność kolektora natomiast zależy od: - poprawności zaprojektowania instalacji solarnej: dobrania średnic przewodów doprowadzających i odprowadzających czynnik roboczy oraz wielkości zbiornika akumulacyjnego; - parametrów eksploatacyjnych całej instalacji: ilości czynnika roboczego, częstotliwości i intensywności promieniowania słonecznego, prędkości i kierunku wiatru, temperatury otoczenia oraz zgodności założeń projektowych dotyczących dziennego zapotrzebowania na c.w.u. z rzeczywistym zużyciem. Ogólna zależność jest taka, że do im wyższej temperatury chcemy podgrzać wodę, tym uzyskujemy niższą wydajność zamiany energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. Dlatego zdecydowanie najbardziej efektywne jest zastosowanie kolektorów słonecznych w systemach niskotemperaturowych np. do podgrzewania wody w basenach. Na co należy zwrócić uwagę, przy wyborze kolektora słonecznego: Powierzchnia czynna absorbera - jest to jeden z najbardziej istotnych parametrów, decydujący o możliwościach kolektora oraz jego cenie, Sprawność optyczna - jest to parametr określający współczynnik konwersji promieniowania słonecznego w energię cieplną, Jednostka badawcza - badaniem kolektorów słonecznych zajmują się niezależne jednostki badawcze, wg. norm PN EN 12975-1 oraz PN EN 12975-2, Pojemność zasobnika na sztukę kolektora - Parametr określający ilość wody, jaka jest dobierana do jednego kolektora. Cena za sztukę - Należy zwrócić uwagę na to, że nie wszystkie kolektory mają jednakową powierzchnię czynną absorbera. Państwo nie kupują sztuki kolektora, tylko jego pracującą dla Nich powierzchnie. Cena za kolektory do podgrzania 200 litrów wody - Parametr porównawczy, dający obraz tego, jakie koszty należy ponieść, aby podgrzać większą niż standardowo dobieraną do kolektora, ilość wody.
