Kolektory słoneczne stacjonarne i nadążne różnych stopni swobody. Energia słoneczna do napędu urządzeń klimatyzacyjnych

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Kolektory słoneczne stacjonarne i nadążne różnych stopni swobody. Energia słoneczna do napędu urządzeń klimatyzacyjnych"

Michalina Kowalik
7 lat temu
Przeglądów:

1 Kolektory słoneczne stacjonarne i nadążne różnych stopni swobody. Energia słoneczna do napędu urządzeń klimatyzacyjnych W artykule opisano analizę pracy kolektorów słonecznych zastosowanych do napędu klimatyzatora strumienicowego małej mocy, służącego do chłodzenia pomieszczeń poddasza domu jednorodzinnego. Analizie poddano różne warianty kolektorów stacjonarnych i nadążnych. Szczególną uwagę poświęcono kolektorowi nadążnemu wokół ukośnej osi obrotu. Do analiz wykorzystano specjalnie opracowany dla tych potrzeb program obliczeniowy promieniowania słonecznego dla terenu Polski. Rys.1. Klimatyzator słoneczny napędzany energią z płaskiego kolektora słonecznego (szkic rozmieszczenia aparatów) Typowym, współczesnym zastosowaniem kolektorów słonecznych jest wytwarzanie ciepłej wody użytkowej. Znaczny postęp technologiczny jaki nastąpił w budowie kolektorów oraz upowszechnienie ich produkcji spowodowały, że łatwo je dostosować do napędu chłodniczych urządzeń klimatyzacyjnych. Do współpracy z kolektorami predestynowane są przede wszystkim obiegi absorpcyjne i strumienicowe. Oba te obiegi pozostają aktualnie nieco na uboczu chłodnictwa krajowego ze względu na dominację masowej produkcji urządzeń sprężarkowych. Kolektory słoneczne Kolektory słoneczne w zakresie ich położenia dzielą się na dwa podstawowe typy: stacjonarne i nadążne. Pierwsze z nich mocowane są najczęściej ściśle do powierzchni dachu lub ściany budynku, drugie z kolei wymagają specjalnej konstrukcji, która umożliwia wykonywanie obrotu kolektora - najczęściej za pomocą silnika elektrycznego.

2 Rys. 2. Przybliżone wartości COP dla różnych temperatur pary napędowej i temperatur odparowania dla obiegu strumienicowego tk=+40 o C (woda jako czynniki chłodniczy). Zaletą kolektorów stacjonarnych jest prosty montażu, odporność na porywisty wiatr, łatwość wkomponowania w architekturę budynku, brak części ruchomych. Ich wadą jest konieczność znalezienia lokalizacji możliwie najbardziej zorientowanej na południe i nachylonej pod pewnym kątem. Kolektory tego typu pochłaniają promieniowanie słoneczne w pewnej tylko porze dnia (np. w południe) natomiast w pozostałych porach kąt padania promieni słonecznych względem normalnej do płaszczyzny kolektora jest zbyt duży. Kolektory nadążne "śledzą" położenie słońca i w zależności jakie maja stopnie swobody dążą do zmniejszenia kąta pomiędzy normalną do płaszczyzny kolektora a bieżącym kierunkiem padania promieni (stąd nazwa nadążne). Ich zaletą jest więc maksymalizowanie pochłanianego promieniowania niezależnie od pory dnia i pozycji słońca. Wadą kolektorów nadążnych jest skomplikowana budowa, awaryjność konstrukcji ruchomej a w szczególności jej wrażliwość na porywiste wiatry i oblodzenie. Kolektory takie zazwyczaj trudno jest wkomponować w architekturę budynku pomimo ich wizualnej atrakcyjności oraz intrygującego, nowoczesnego wyglądu. Kolektory nadążne znakomicie nadają się do skupiania promieni słonecznych co w warunkach krajowych pozwala przekroczyć gęstości promieniowania 1000W/m2 a więc umożliwia osiągniecie temperatury napędowej urządzeń chłodniczych z zakresu o C. Wysokie temperatury uzyskiwane w skupiających kolektorach słonecznych pozwalają absorpcyjnym i strumienicowym urządzeniom chłodniczych osiągnąć wysokie wartości współczynnika COP (rys. 2) (które obliczone zostały na podstawie [2]). Do przeprowadzenia niniejszych analiz opracowano specjalny program obliczeniowy pozwalający na modelowanie bilansu promieniowania słonecznego w zadanym przedziale roku dla dowolnie nachylonej powierzchni. Bilansowanie polega na zliczaniu krok po kroku (w praktyce wystarcza 1-30 minut) chwilowych wartości gęstości promieniowania [W/m2] bezpośredniego, rozproszonego i odbitego. Bilansowanie prowadzi się w zadanym przedziale roku a następnie porównuje otrzymane sumy wyznaczone dla różnych konfiguracji płaszczyzny. Metodologię obliczeń zależności geometrycznych zaczerpnięto z [1]. Niektóre ze wzorów wymagały przebudowy i uzupełnienia o dodatkowe kąty obrotu płaszczyzny wokół nachylonej osi. Analizie poddano trzy kąty geometrii płaszczyzny kolektora (rys. 3) w tym dwa podstawowe opisywane w [1, 3]: # U - kąt azymutu wyznaczany przez jego orientację przykładowo: na północ 0o, wschód 90o, południe 180 o, zachód 270 o. Zwyczajowo najlepsza jest południowa gdzie U=180 o. # ß - kąt nachylenia płaszczyzny kolektora względem poziomu posiadający dwa przypadki szczególne: kolektor poziomy dla ß=0 o oraz pionowy dla ß=90 o. Kolektory słoneczne nadążne, nieskupiające Kolektory nadążne zwyczajowo rozpatrywane są w trzech podstawowych typach nadążności: # w płaszczyźnie poziomej (poziomo nadążny),

3 # w płaszczyźnie pionowej (pionowo nadążny), # w płaszczyźnie poziomej i pionowej (dwupłaszczyznowo). Specjalnie na potrzeby niniejszego opracowania dodano, czwarty typ nadążności: # wokół nachylonej osi (ukośnie nadążny) Zrozumienie specyfiki kolektorów nadążnych wymaga tu pewnego opisu sposobu obracania płaszczyzny pochłaniającej w trzech kątowych stopniach swobody U, ß, y. Najprostszym w spotykanych realizacjach grzewczych jest kolektor poziomo nadążny. Do jego obracania wystarcza karuzelowy typ stelażu, przy czym kąt nachylenia ß jest stały. Kolektorem słonecznym praktycznie nieobecnym w literaturze jest kolektor nadążny wokół nachylonej (ukośnej) osi rys. 9. Ten typ pracy wymaga dysponowania płaszczyzną bazową o stałym nachyleniu (np. dach budynku). W przeciwieństwie do kolektora stacjonarnego, teraz odchyla się on bocznie w kierunku wschodnim lub zachodnim. Konstrukcja taka nie stwarza problemów architektonicznych i jest stosunkowo odporna na porywiste wiatry. Także dla tego typu pracy wyznaczyć można wartości sum miesięcznych promieniowania łącznego w zależności od kąta nachylenia ß (rys. 10) oraz optymalne wartości kąta pochylenia ß (tab. 3). Dobowe charakterystyki promieniowania Oprócz porównań bazujących na sumach promieniowania warto zwrócić uwagę na zmienność uzyskiwanej gęstości promieniowania [W/m2] w skali doby. Porównanie takie wymaga zestawienia wyników obliczeń modelowych dla tego samego dnia - w tym przypadku wybrano 22 czerwca jako dzień bliski przesilenia letniego. W okresie tym słońce doprowadza do powierzchni ziemi znaczne ilości energii czego skutkiem są w tym okresie wysokie temperatury powietrza. Na rys. 14 zestawiono charakterystyki dobowe gęstości promieniowania docierającego do kolektorów o różnych stopniach swobody i dla różnych kątów nachylenia ß. Jako krzywą porównawczą na każdym z czterech wykresów pokazano czarną linią wartość promieniowania dla kolektora dwupłaszczyznowego. Osiąga on największe gęstości promieniowania [W/m2] oraz zajmuje najszersze pole na wykresie. Wnioski Porównanie opisanych powyżej różnych typów kolektorów pokazuje, że urządzenia klimatyzacyjne napędzane za ich pomocą zbudować można w kilku wariantach. Warto przy tym pamiętać o kilku zasadach: # stosując kolektor płaski (wykorzystujący promieniowanie bezpośrednie, rozproszone i odbite) należy zachować optymalny kąt nachylenia. Optymalnym azymutem jest geograficzny kierunek południowy a kątem nachylenia dla pracy w ciągu miesięcy letnich 25-35o. Obliczone wartości są zgodne z innymi publikacjami [1,3]; # wybierając kolektor płaski poziomo nadążny dla promieniowania łącznego należałoby ustawić optymalny kąt nachylenia o a dla skupiającego o ; # dla kolektora ukośnie nadążnego dla promieniowania łącznego optymalny kąt nachylenia wynosi o a dla skupiającego kąt o ; # opisana metoda ukośnie nadążnego odchylania kolektora jest stosunkowo prosta w realizacji technicznej, jest on mało wrażliwy na porywiste wiatry i niekłopotliwy architektonicznie. Praktyczna realizacja techniczna wbudowania w połać dachową kolektora dwupłaszczyznowo lub tylko poziomo nadążnego jest znacznie trudniejsza od wbudowania kolektora ukośnie nadążnego; # kolektory ukośnie nadążne można łatwo połączyć (rys. 11) we współpracujące ze sobą zestawy ze

4 wspólnym mechanizmem obracającym. Analogiczna konstrukcja połączonych kolektorów poziomo nadążnych jest znacznie trudniejsza w realizacji. # analiza optymalnych kątow nachylenia pokazuje, że dla budowanych w Polsce domów jednorodzinnych (typowych katów pochylenia dachów) właściwsze byłoby zastosowanie kolektora ukośnie nadążnego w technologii skupiającej niż płaskiej. LITERATURA [1] J. NOWICKI: Promieniowanie słoneczne jak źródło energii. Arkady, Warszawa [2] A. PALIWODA: Urządzenia chłodnicze strumienicowe, WNT, Warszawa [3] Z.P LUTA: Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej [4] Artykuł w druku (krajowa konferencja naukowo-techniczna). Rys. 3. Kąty obrotu i nachylenia płaszczyzny pochłaniającej promieniowanie słoneczne

5 Rys. 5. Specyfika pozycji kątowych przyjmowanych przez kolektor nadążny w płaszczyźnie poziomej dla różnych wartości kąta nachylenia ß Rys. 6. Wartości sum miesięcznych promieniowania łącznego w zależności od kąta nachylenia? kolektora nadążnego poziomo oraz jego przykładowy sposób odchylania

6 Rys. 9. Specyfika pozycji kąta ß przyjmowanego przez kolektor nadążny w płaszczyźnie ukośnej Rys. 10. Wartości sum miesięcznych promieniowania łącznego w zależności od kąta nachylenia ß dla kolektora ukośnie nadążnego oraz jego przykładowy sposób odchylania

7 Rys. 14. Promieniowanie łączne docierające w skali doby do kolektorów słonecznych o różnych stopniach swobody i kątach nachylenia ß - dla przykładu 22 czerwca

8 Autor: Jacek KASPERSKI, Wrocław Źródło: Chłodnictwoi & Klimatyzacja 2006/11 KONTAKT Chłodnictwo & Klimatyzacja Tel: Fax: Adres: al. Komisji Edukacji Narodowej Warszawa

Podobne dokumenty

Program BEST_RE. Pakiet zawiera następujące skoroszyty: BEST_RE.xls główny skoroszyt symulacji RES_VIEW.xls skoroszyt wizualizacji wyników obliczeń

Program BEST_RE. Pakiet zawiera następujące skoroszyty: BEST_RE.xls główny skoroszyt symulacji RES_VIEW.xls skoroszyt wizualizacji wyników obliczeń Program BEST_RE jest wynikiem prac prowadzonych w ramach Etapu nr 15 strategicznego programu badawczego pt. Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków. Zakres prac obejmował