Instalacja i badania kolektora promieniowania słonecznego

Transkrypt

1 JÓZEF FLIZIKOWSKI KAMIL DZIADOSZ Wydział Mechaniczny, Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy Instalacja i badania kolektora promieniowania słonecznego Streszczenie: W artykule przedstawiono zintegrowane projektowanie instalacji kolektora słonecznego, składające się z dwóch projektów mających na celu: rozwiązanie specjalnej ramy pod kolektor słoneczny typu KS-2000 S, uzyskanie najlepszego usytuowania poszczególnych elementów instalacji solarnej w bud na Wydziale Mechanicznym w ATR w Bydgoszczy oraz wykonanie modelu 3D instalacji solarnej, jej poszczególnych zespołów, podzespołów oraz części. Słowo kluczowe: energia odnawialna, energia słońca, instalacja solarna, kolektor słoneczny Installation and research of collector of sunny radiation Key word: renewal energy resources, solar energy, solar installation, solar collector Wytyczne do rozwiązania własnego Aspekty zintegrowanego projektowania instalacji kolektorowych uświadamiają o złożoności problemu, jaki występuje w trakcie prac projektowo-konstrukcyjnych dążących do osiągnięcia najlepszego rozwiązania postawionego problemu. Analizując dotychczasowe osiągnięcia w zakresie budowy i eksploatacji instalacji solarnych mamy możliwość: -takiego odpowiedniego doboru wszystkich części, podzespołów i zespołów, który umożliwia stworzenie kompletnej zintegrowanej instalacji solarnej, -identyfikacji związków oraz zjawisk, jakie zachodzą między częściami, podzespołami, zespołami a całością. Zintegrowane projektowanie maszyn i instalacji Problem projektowania składa się z identyfikacji: -całości, -części tej całości, -związków między częścią a całością. Do metodycznego ujęcia problemy części i całości należy:

2 -rozpatrzeć wszystko, co może mieć znaczenie, tj. istotny związek z przedmiotem występującym w problemie technicznym, -zidentyfikować część, której istnienie w całości ma wywołać określone działanie, -zidentyfikować związki, jakie istnieją między częścią i całością. W sensie zintegrowanego projektowania budowy i eksploatacji maszyn środowiskowy projekt procesora energii powinien zawierać rozwiązania zagadnień: -materiałoznawstwa, -projektowania, -konstruowania, -bezpieczeństwa, -architektury, -monitoringu. Integracja projektowania: -zasady, -ideologie, -procedury, -użytkowanie software. W odniesieniu do instalacji solarnej integracja jest złożona i składa się z: -łączenia odpowiednich zespołów, podzespołów i elementów, jak: -kolektor słoneczny, -specjalna rama pod kolektor słoneczny, -podgrzewacz, -korki KS 3/4", -zestaw przyłączeniowy kolektora, -zestaw przyłączeniowy podgrzewacza, -zespół pompowy ze sterownikiem, -zespół naczynia przeponowego, -płyn do instalacji, -pompa ręczna do napełniania instalacji, -otulina kauczukowa 18/9. -zastosowania odpowiednich materiałów, to znaczy takich, jak: -cienka blacha, bądź taśma miedziana zastosowana jako absorber, -miedziane rurki wewnątrz kolektora, -chrom galwaniczny, nikl lub związek tytanu użyty do pokrywania absorbera,

3 -aluminiowa obudowa kolektora słonecznego, -hartowana szyba solarna o obniżonej zawartości żelaza, -pianka poliuretanowa oraz pianka polistyrenowa stosowana na zbiorniki cwu i c.o, -stalowe, miedziane lub wykonane ze stali nierdzewnej wymienniki, -stal użyta na kątowniki i płaskowniki do konstrukcji ramy pod kolektor, -specjalne węże gumowe, zastosowane jako część instalacji hydraulicznej, odporne na podwyższone temperatury czynnika roboczego, -glikol jako płyn solarny, -i inne. -połączenie zależności występujących między: -projektowaną instalacją solarną a obiektem, w którym instalacja ta ma zostać wdrożona, w tym przypadku jest to budynek 2.3. na Wydziale Mechanicznym w Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy, -projektowaną instalacją solarną a lokalnym środowiskiem, -projektowanym działaniem i monitorowanie instalacji kolektora słonecznego. Zintegrowane projektowanie instalacji kolektora słonecznego jest to takie projektowanie, które łączy w sobie zagadnienia z budowy i eksploatacji układów mechanicznoarchitektonicznych, ochrony środowiska, celowości działań oraz innowacji technicznej. Rozwiązanie własne Celem pracy jest jak najlepsze usytuowanie projektowanej instalacji solarnej, pokazowej, dydaktycznej oraz efektywnie działającej, w budynku 2.3. na Wydziale Mechanicznym w Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy. Projektowania instalacja kolektora słonecznego łączy w sobie problem: -budowy i eksploatacji maszyn, urządzeń oraz instalacji, -ochrony środowiska, -celowości działań, -innowacji technicznej. Analizie kryterialnej poddano 12 różnych rozwiązań koncepcyjnych wg celów pracy tj.: -skuteczność działania, -informatyczność, -ekonomiczność, -podatność na badania z monitorowaniem.

4 Przyjęto cztery stany kryteriów: 0, 1, 3, 6. Przy czym ocena 0 jest krytyczna i wykluczająca daną koncepcję z dalszego projektowania zintegrowanego. Przeprowadzona analiza koncepcyjna skłoniła do wyboru koncepcji przedstawionej na rys. 1. Rys. 1. Schemat podstawowej instalacji dla ciepłej wody użytkowej [4]: 1-kolektor słoneczny KS-2000 S (2 szt.), 2-uchwyt uniwersalny KS (2 szt.), 3-podgrzewacz OKC250NTRR (1 szt.), 4-śrubunek KS 3/4" (2 szt.), 5-zestaw przyłączeniowy kolektora (1 kpl.), 6-zestaw przyłączeniowy podgrzewacza (1 kpl.), 7-zespół pompowy ze sterownikiem G403-P04 (1 szt.), 8-zespół naczynia przeponowego ZNP12 (1 kpl.), 9-profil maskujący KS (1 szt.), 10- płyn do instalacji ERGOLID EKO (20 kg), 11-pompa ręczna do napełniania instalacji (1 szt.), 12-otulina kauczukowa 18/9.

5 Schemat oraz wykaz elementów powyższej instalacji proponowany przez firmę HEWALEX ulegnie zmianie, dla naszego projektu, z następujących przyczyn: -w projektowanej instalacji solarnej zostanie zastosowany tylko jeden kolektor słoneczny KS-2000 S, ponieważ spełnia on założenie projektowe i jest w zupełności wystarczający do przeprowadzania badań w Pracowni Środowiskowych Procesów Energii na Wydziale Mechanicznym Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy, -nie wystąpią takie elementy jak: -uchwyt uniwersalny KS, ponieważ do mocowania kolektora słonecznego została zaprojektowana specjalna rama, -śrubunek KS 3/4", ponieważ zastosuję dwa korki KS 3/4" służące do zaślepienia wolnego króćca, -profil maskujący KS, ponieważ zastosuję tylko jeden kolektor słoneczny. -zamiast oferowanego podgrzewacza zostanie zastosowany: -podgrzewacz firmy Galmet o następujących parametrach: -nazwa: WYMIENNIK DO PODGRZEWANIA W.U., -typ: SG-WS, -pojemność: 300 dm 3, -stojący, -biwalentny-z dwiema wężownicami. -zamiast standardowej, miedzianej instalacji hydraulicznej zastosuję: -węże gumowe ze wzmocnieniem metalowym ogólnego zastosowania wg WT- 2/94/BZPG, produkowanych w Bydgoskich Zakładach Przemysłu Gumowego Stomil. Projekt ramy kolektora KS-2000 S Istota działania ramy pod kolektor słoneczny polega na: -umieszczeniu w ramie kolektora słonecznego, -osadzeniu ramy wraz z kolektorem słonecznym w lokalnej sytuacji nasłonecznienia i potrzeb. Projektowana rama pod kolektor słoneczny przeznaczona jest do pracy na zewnątrz, na wolnym powietrzu, w zakresie temperatur od C do C przy zmiennych warunkach atmosferycznych typowych dla klimatu Polski. Zakres zmiany kąta nachylenia kolektora słonecznego względem poziomu wynosi od C. Analizie kryterialnej poddano 3 różne rozwiązania koncepcyjne wg: -niezawodności pracy,

6 -łatwości obsługi, -prostocie konstrukcji i łatwości wykonania, -masy i gabarytów, -kosztów produkcji, -bezpieczeństwa pracy, -estetyki. Przeprowadzona analiza koncepcyjna skłoniła do wyboru koncepcji przedstawionej na rys. 2. Rys. 2. Koncepcja ramy pod kolektor słoneczny Rys. 3. Koncepcja ramy pod kolektor słoneczny-mechanizm zmiany kąta nachylenia kolektora słonecznego

7 Model 3D MCAD zintegrowany dydaktycznie instalacji kolektora słonecznego Rysunki nr 4 6 przedstawiają rozmieszczenie instalacji solarnej w budynku 2.3. na Wydziale Mechanicznym Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy. Rys. 4. Usytuowanie instalacji hydraulicznej między elementami instalacji solarnej Rys. 5. Usytuowanie instalacji hydraulicznej między elementami instalacji solarnej

8 Rys. 6. Usytuowanie instalacji hydraulicznej między elementami instalacji solarnej Ogólna ocena rozwiązania Projektując zintegrowaną instalację kolektora słonecznego poruszono zagadnienia z zakresu: -materiałoznawstwa, -projektowania, -konstruowania, -bezpieczeństwa, -architektury, -monitoringu. Projekty zintegrowanej instalacji solarnej wykonano zgodnie z: -zasadami, -ideologiami, -procedurami, -oraz przy użyciu narzędzia, jakim są programy 3D MCAD. Przeprowadzone analizy koncepcyjne pozwoliły dokonać wyboru rozwiązania optymalnego dla: -łączenia odpowiednich zespołów, podzespołów i elementów, -zastosowania odpowiednich materiałów, -połączenie zależności występujących między:

9 -projektowaną instalacją solarną a obiektem, w którym instalacja ta ma zostać wdrożona, w tym przypadku jest to budynek 2.3. na Wydziale Mechanicznym w Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy, -projektowaną instalacją solarną a lokalnym środowiskiem, -projektowanym działaniem i monitorowanie instalacji kolektora słonecznego. Wnioski Zintegrowane projektowanie instalacji kolektora słonecznego pozwoliło na: -znaczne przyspieszenie uruchomienia rzeczywistego stanowiska laboratoryjnego, służącego do badań instalacji solarnej w Pracowni Środowiskowych Procesów Energii na Wydziale Mechanicznym Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy, -odniesienie przeprowadzonych badań rzeczywistych do badań wirtualnych, -głębsze zrozumienie zjawisk cieplnych zachodzących w instalacjach solarnych np.: -rozkład ciepła na powierzchni absorbera ze względu na zastosowane rozwiązanie konstrukcyjne kolektora słonecznego, -utrata ciepła czynnika przepływającego przez rurociąg, -określenie podstawowych charakterystyk cieplnych i przepływowych kolektora, -sporządzenie bezwymiarowych charakterystyk eksploatacyjnych kolektora, -określenie zależności sprawności cieplej kolektora w funkcji wydatku masowego przepływającego czynnika, -określenie stałej czasowej kolektora, -oszacowanie rocznych zysków energetycznych z jednostki powierzchni kolektora przy jego eksploatacji w polskich warunkach klimatycznych, -itd. -możliwość projektowania nowych, lepszych rozwiązań konstrukcyjnych kolektorów słonecznych, -znaczne przyspieszenie badań zintegrowanej instalacji solarnej przy zastosowaniu odpowiednich programów komputerowych. Do uruchomienia stanowiska laboratoryjnego, służącego do badań instalacji solarnej na Wydziale Mechanicznym Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy należy: -uzyskać pozwolenie na zainstalowanie ramy z kolektorem słonecznym na ścianie budynku 2,3., -uzyskać pozwolenie na prace związane z przeprowadzeniem instalacji hydraulicznej, -zakupić odpowiednie części, podzespoły i zespoły wchodzące w skład projektowanej: -ramy pod kolektor słoneczny KS-2000 S,

10 -instalacji solarnej, -instalacji hydraulicznej. Literatura [1] J. Flizikowski, K. Bieliński: Projektowanie środowiskowych procesorów energii, Wydawnictwa Uczelniane, Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy, 2000, [2] M. Zawadzki: Kolektory Słoneczne Pompy Ciepła-Na Tak, Polska Ekologia, 2003, [3] J. Dietrych: System i konstrukcja, WNT, Warszawa 1985, [4] [5] [6] [7]