KOLEKTORY SŁONECZNE

KOLEKTORY SŁONECZNE
Kolektory
słoneczne
zamieniają
energię
słoneczną
na
energię
cieplną.
Uzyskana w ten sposób energia cieplna gromadzona jest w zasobnikach, za pośrednictwem
których może być wykorzystywana do ogrzewania mieszkań i do produkcji ciepłej wody.
W warunkach geograficznych Polski instalacje solarne najczęściej wykorzystywane są do
podgrzewania wody użytkowej. Pozwalają zaoszczędzić całorocznie ok. 60% energii
potrzebnej do przygotowania ciepłej wody i sezonowo do 90% energii potrzebnej do
podgrzewania wody w basenach kąpielowych.
Kolektory można podzielić na:
•
•
płaskie: gazowe, cieczowe, dwufazowe.
rurowe (nazywane też próżniowymi, w których rolę izolacji spełniają próżniowe rury).
K ole kt or y sł on e c z n e: p ł as ki e i r ur ow e
Budowa i zasada działania kolektora slonecznego
Płaski kolektor słoneczny jest najprostszym i najbardziej rozpowszechnionym urządzeniem,
stosowanym w tym celu.
B u d o wa k ol e kt or a sł on e cz ne g o p ła s ki e g o
pokrycie kolektora
rama
absorber
izolacja
rurociąg (czynnik
roboczy)
Zasada działania kolektora słonecznego polega na zamianie (konwersji) energii
promieniowania słonecznego w ciepło i przekazanie go czynnikowi roboczemu.
Elementem, w którym następuje przekazanie tej energii jest absorber. Większość kolektorów
przykrytych jest szybą solarną. Im więcej promieniowania słonecznego przepuści szyba, tym
więcej dotrze go do absorbera. Absorber nagrzewając się, pochłania przepuszczone
promieniowanie słoneczne. Ciepło jest odbierane z płyty absorbera przez czynnik roboczy,
płynący w zintegrowanym z absorberem, najczęściej miedzianym, rurociągu. Podczas
jednokrotnego przepływu, temperatura czynnika rośnie zwykle o kilka do kilkunastu stopni.
Przyrost temperatury zależy od natężenia promieniowania słonecznego docierającego do
absorbera i prędkości przepływu czynnika roboczego przez rurociąg w absorberze.
Czynnikiem roboczym może być woda, ale w przypadku całorocznego użytkowania
kolektorów słonecznych należy zastosować płyn niezamarzający.
W celu zredukowania strat energii stosuje się płyty osłonowe oraz izolację cieplną odwrotnej
strony płaskiego kolektora ze styropianu lub wełny mineralnej.
Jako materiał konstrukcyjny absorbera stosuje się: miedź, aluminium, stal lub mosiądz. Lekka
i szczelna konstrukcja kolektorów umożliwia ich montaż zarówno w połaci dachowej, na
stelażu nad dachem jak i na fasadzie budynku.
Systemy solarne mogą zamiast cieczy wykorzystywać powietrze jako czynnik unoszący
ciepło. Własności fizyczne powietrza są zasadniczo różne niż stosowanych w układach
słonecznych cieczy, co powoduje, że:
-
powietrze nagrzewa się szybciej, przez co temperatura użyteczna będzie osiągana już
przy mniejszych poziomach nasłonecznienia,
w systemach powietrznych magazynowanie ciepła będzie droższe, a transport energii
powinien odbywać się bezpośrednio,
odbiór ciepła z absorbera przez powietrze jest mniej wydajny niż w przypadku cieczy,
wymagane jest większe natężenie przepływu czynnika, co wymaga zużycia większej
ilości energii elektrycznej.
R ur a k ol e kt or a pr ó ż ni o we g o
Głównym elementem kolektora próżniowego są
szklane rurki absorbujące – dwuścienne rurki szklane.
Pomiędzy ściankami: wewnętrzną i zewnętrzną tych
rurek istnieje próżnia. Wewnętrzna rurka szklana ma
selektywną powłokę absorbującą. Próżnia pozwala na
uniknięcie niezamierzonych strat ciepła. Kilka rurek
połączonych szeregowo lub częściej przez rozdzielacz
tworzą kolektor słoneczny. Tylna ścianka kolektora
wykonana jest z lustrzanej stali dzięki czemu rurki
kolektora są naświetlane także z kierunku przeciwnego
do kierunku padania promieni słonecznych, co
pozwala na wykorzystanie również promieniowania
rozproszonego.
Zaletą kolektorów próżniowych są wysokie temperatury uzyskiwane przez czynnik grzewczy,
rzędu 150oC, tak że kolektory te mogą służyć do ogrzewania wody oraz do produkcji pary
wodnej.
W polskich warunkach klimatycznych kolektory próżniowe wytwarzają energię do 600 kWh
na 1m2 kolektora w ciągu roku.
Dobór optymalnego kąta pochylenia kolektora
Największe nasłonecznienie otrzymuje płaszczyzna ustawiona w stosunku do pozornego
ruchu Słońca tak, aby promienie padały na nią prostopadle. Sterowany mechanicznie układ
nadążny zwany heliostatem jest rzadko stosowany w praktyce. Stosuje się niekiedy okresowe
(miesięczne) zmiany kąta nachylenia kolektora ciepła do poziomu.
Sp os ob y m on t aż u k ol e kt or ó w sł on e cz n yc h
kolektory zintegrowane
z pokryciem dachu
montaż na
fasadzie
Kolektory na stelażu,
montaż na dachu
montaż na
fasadzie, na
stelażu
Kolektory na stelażu,
montaż na gruncie
montaż na
dachu płaskim,
na stelażu
Optymalne nachylenie płaskiej powierzchni absorbującej promieniowanie słoneczne względem płaszczyzny
poziomej dla szerokości geograficznej 52oN dla ekspozycji południowej
Miesiąc roku
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
Kąt nachylenia α[o]
78
70
50
48
39
35
36
44
54
64
76
79
W przypadku nieruchomych kolektorów i innych układów absorbujących promieniowanie
słoneczne, skierowanych na południe, najbardziej korzystnym kątem pochylenia dla okresu
ciepłego (od maja do września) jest kąt α≈42,5o, a dla okresu chłodnego (od października do
kwietnia) kąt α≈70o względem poziomu.
W przypadku kolektorów próżniowych montaż jest znacznie prostszy, gdyż można je bez
zasadniczego wpływu na efektywność, zamontować na fasadzie budynku lub na płaskim
dachu bez konstrukcji wsporczej. Oczywiście jest to mniej efektywny montaż niż pod kątem
optymalnym w kierunku południowym.
Sprawność kolektora
Sprawność kolektora to stosunek energii odebranej przez czynnik roboczy do ilości energii
promieniowania słonecznego, docierającego do kolektora. Sprawność kolektora spada wraz ze
wzrostem różnicy temperatury pomiędzy czynnikiem roboczym a otoczeniem.
Wykres (Rys.5) przedstawia zależność pomiędzy zredukowaną różnicą temperatur (różnica
średniej temperatury czynnika i temperatury otoczenia podzielona przez gęstością
promieniowania słonecznego) a sprawnością kolektora.
C h ar a kte r ys t yka s pr aw n ośc i k ol e kt o ra sł o n e cz ne g o p ła s ki e g o
η[%]
80
60
40
20
0
0
0,04
0,08
0,12
∆T/G [K.m2/W]
Projektowanie instalacji
Prawidłowo zaprojektowana instalacja może w warunkach polskich, w okresie od maja do
września, niemal całkowicie pokryć zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową bez
konieczności stosowania dodatkowych źródeł energii.
Instalacja solarna stanowi zespół dobranych do siebie urządzeń takich jak: kolektory
słoneczne, układ sterująco - zabezpieczający i zasobnik wody użytkowej (lub przepływowy
wymienniki ciepła).
T1
Obliczenia należy wykonać, biorąc pod uwagę:
•
•
odbiór c.w.u
P1 T3
zasilanie z
kotła c.o.
T2
zimna woda
Schemat podstawowej instalacji kolektorowej
dla przygotowania ciepłej wody użytkowej z
zastosowaniem dodatkowego źródła ciepła
(kotła c.o.) (źródło: Hewalex): T1, T2, T3 –
czujniki temperatury, P1 - pompa
•
nasłonecznienie w danym regionie,
indywidualne zużycie ciepłej wody, (np.
dla gospodarstwa domowego będzie to
liczba osób w rodzinie pomnożona przez
średnie zużycie ciepłej wody – przyjmuje
się od 50-60 litrów na dobę na osobę),
pożądaną temperaturę ciepłej wody
(przyjmuje się 45oC).
Przykład obliczenia znajduje się na stronie:
www.termospec.pl/Kolekrory-obliczenia.htm .
Niewątpliwe
korzyści
daje
stosowanie
kolektorów słonecznych w krajach o dużych
zasobach energii słonecznej. W Europie są to:
Włochy, Francja i obszary południowych
Niemiec. Również w warunkach klimatycznych
Polski instalacje te są coraz chętniej stosowane do
ogrzewania wody, szczególnie w miesiącach
letnich.
Zdjęcia przykładowych instalacji kolektorowych na świecie można obejrzeć na stronach:
http://www.apricus.com/html/photo_gallery_all.htm ,
http://www.photonsolar.com/photogallery/installations/therm-tn1.htm .