Adam KONISZEWSKI INSTALACJE SOLARNE 1. Słońce jako źródło energii dla kolektorów słonecznych Źródłem darmowej energii dla kolektorów słonecznych jest Słońce. Powstająca na nim energia jest wynikiem przemian termojądrowych wodoru w hel, w efekcie czego Słońce wysyła w przestrzeń kosmiczną promieniowanie elektromagnetyczne, mające długość fali rzędu stumilionowej części milimetra. Promieniowanie to jest tzw. promieniowaniem wysokoenergetycznym (energia promieniowania jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali), które przenikając z jądra Słońca napotyka na swej drodze wiele elektronów i jąder atomów. Skutkiem tego jest osłabienie tego promieniowania, a w konsekwencji - zwiększenie długości jego fali. Promieniowanie słoneczne charakteryzuje się dużym zakresem długości fali, niosąc w sobie zróżnicowaną ilość energii. Rys.1 Stała promieniowania słonecznego Energia promieniowania słonecznego, która dociera do granicy atmosfery posiada moc około 1370 W/m 2 i nosi nazwę stałej słonecznej (rys.1). Stała słoneczna jest średnią w roku kalendarzowym gęstością promieniowania słonecznego, przypadającą na powierzchnię płaską, ustawioną prostopadle do kierunku biegu promieni słonecznych. Jest ona stale korygowana, a jej obowiązująca wartość podawana jest przez World Radiation Center (Światowe Centrum Promieniowania) w Davos (Szwajcaria). Zjawiska pochłaniania i rozpraszania energii promieniowania słonecznego w atmosferze powodują, że do powierzchni Ziemi dociera jedynie część tego promieniowania. I tak w miesiącach letnich - gęstość promieniowania słonecznego dla obszaru Polski wynosi ok. 1000 1
W/m 2, natomiast w miesiącach zimowych ok. 400 W/m 2. Różnice te spowodowane są zmianami wysokości Słońca nad horyzontem w poszczególnych porach roku, skutkiem czego jest zmiana grubości warstwy atmosfery, przez którą przechodzi promieniowanie. Energia promieniowania słonecznego docierająca do powierzchni naszej planety, a tam do kolektora słonecznego zamieniana jest w nim w energię użyteczną, pomniejszoną o jego straty cieplne (rys. 2). Rys. 2 Bilans energii promieniowania słonecznego Najbardziej uprzywilejowanym rejonem Polski pod względem napromieniowania słonecznego jest południowa część województwa lubelskiego. Natomiast najmniejszy w skali roku dopływ energii słonecznej obserwuje się w rejonie wysoko uprzemysłowionym (Śląsk), w obszarze granicznym trzech państw: Czech, Niemiec i Polski oraz w rejonie północnym naszego kraju, obejmującym pas Wybrzeża z wyjątkiem Wybrzeża Zachodniego (rys. 3). Rys. 3 Rejonizacja obszaru Polski pod względem możliwości wykorzystania energii słonecznej [1] 2
2. Kolektory słoneczne 2.1 Zasada działania kolektora słonecznego (rys. 4) Zadaniem kolektora słonecznego (1) jest konwersja energii promieniowania słonecznego w energię cieplną, która następnie przekazywana jest za pomocą płynu solarnego w celu dalszego jej wykorzystania (3), np. do przygotowania c.w.u., wspomagania c.o., czy podgrzania wody w basenie. Transport płynu solarnego (niezamarzającego) zapewnia zespół pompowy (2). Układ sterujący (6) uruchamia go, gdy temperatura płynu solarnego w kolektorze (4) jest wyższa niż temperatura wody w zbiorniku (5). Energia grzewcza jest oddawana wodzie użytkowej poprzez wymiennik znajdujący się wewnątrz zbiornika (7). Rys. 4 Zasada działania kolektora słonecznego 2.2 Elementy kolektorów słonecznych Zasadniczym elementem kolektora słonecznego jest absorber, czyli płyta pochłaniająca promieniowanie słoneczne. Promieniowanie to winno bez przeszkód docierać do absorbera i ogrzewać go. Ważne jest jednak, aby ogrzany absorber nie oddawał pobranego ciepła do otoczenia (rys. 5), w związku z czym musi on być dobrze izolowany cieplnie. Parametrem technicznym, który określa jakość absorbera jest jego selektywność, przedstawiana jako iloraz absorpcji do emisji (α/ε). Cechy, którymi powinien charakteryzować się absorber, to m.in.: wysoki współczynnik absorpcji α (dla promieniowania słonecznego o długości fali λ < 2 µm promieniowanie nadfioletowe) i niski współczynnik emisji ε (dla promieniowania o długości fali λ > 2 µm promieniowanie podczerwone), a także odporność na działanie wysokich temperatur. I tak dla 3
absorbera odkrytego nieselektywnego maksymalna temperatura pracy wynosi 70 o C, dla absorbera zakrytego nieselektywnego 110 o C, zaś dla absorbera zakrytego selektywnego 200 o C. Przekroczenie wyżej wymienionych temperatur w przypadku awarii instalacji odbierającej ciepło, powoduje uplastycznienie (degradację) materiału absorbera i tym samym uszkodzenie powłoki, co często skutkuje zaparowaniem przesłony przezroczystej cząsteczkami rozpuszczającej się farby. Mając powyższe na uwadze, należy projektować instalacje solarne w taki sposób, aby nie doprowadzić do stanu stagnacji kolektorów. Rys. 5 Rysunek poglądowy absorbera i jego pokrycia od strony frontowej (szyba solarna) Wykonanie izolacji cieplnej absorbera od strony obudowy nie jest zadaniem trudnym. Przede wszystkim należy pamiętać o tym, że materiał który chcemy użyć do tego celu musi charakteryzować się możliwie małym współczynnikiem przewodzenia ciepła, niezmiennością objętości, odpornością na temperaturę oraz działanie czynników atmosferycznych. Większą trudność stanowi zastosowanie dobrej i jednocześnie przezroczystej dla promieni słonecznych izolacji termicznej od strony frontowej absorbera (rys. 3). W celu prawidłowego doboru pokrycia absorbera niezbędne jest uwzględnienie zarówno właściwości promieniowania słonecznego, jak i wymiany ciepła z otoczeniem, która zachodzi na drodze: konwekcji, przewodzenia i promieniowania cieplnego w zakresie fal podczerwonych. Jednocześnie pokrycie to powinno charakteryzować się wysoką przepuszczalnością promieniowania słonecznego (transmisją), odpornością na promieniowanie nadfioletowe (promieniowanie UV) oraz trwałością i wytrzymałością, zapewniając przyjęcie obciążeń od wiatru, deszczu, gradu czy nacisku wywołanego przez śnieg. Powinno ono równocześnie umożliwiać kompensację wydłużeń spowodowanych zmianami temperatury w przedziale od -25 o C do +150 o C, a także zapewniać hermetyczność kolektora w celu ograniczenia strat ciepła i przeciwdziałać osiadaniu kurzu na powierzchni absorbera. 4
2.3 Parametry kolektorów słonecznych Na sprawność kolektora słonecznego wpływają jego elementy konstrukcyjne, a w szczególności właściwości przesłony przezroczystej absorbera oraz skuteczność izolacji cieplnej w danych warunkach. Sprawność całkowitą kolektora słonecznego opisuje zależność (1), a jej interpretację graficzną przedstawia rysunek 6. k ( T T ) k ( T T ) I I 2 1 abs o 2 abs o [%] (1) gdzie: η sprawność całkowita kolektora słonecznego [-], τα współczynnik transmisji absorpcji przesłony przezroczystej [-], k 1 liniowy współczynnik przewodzenia ciepła [W/m 2 K], k 2 nieliniowy współczynnik przewodzenia ciepła [W/m 2 K 2 ], T abs temperatura absorbera [ºK], T o temperatura otoczenia [ºK]. s s Energia promieniowania słonecznego padająca na powierzchnię kolektora słonecznego pomniejszona jest o jego straty optyczne oraz straty cieplne. Straty optyczne są wynikiem pochłonięcia i odbicia promieniowania słonecznego przez osłonę przezroczystą kolektora, natomiast straty cieplne są wynikiem wymiany ciepła między absorberem a otoczeniem, i ściśle zależą od różnicy temperatur ΔT między temperaturą absorbera T abs i temperaturą otoczenia T o. Im większa jest różnica tych temperatur, tym większe straty ciepła generuje kolektor słoneczny. W przypadku, gdy temperatura absorbera jest równa temperaturze otoczenia, wyrażenie τα jest równe sprawności kolektora τα = η i nosi nazwę sprawności optycznej η o (rys. 6). Rys. 6 Sprawność całkowita kolektora słonecznego 5
Innym istotnym parametrem określającym cechy konstrukcyjne kolektora słonecznego jest jego wartość progowa natężenia promieniowania słonecznego I smin, przy której kolektor słoneczny zaczyna gromadzić energię cieplną. Wartość ta jest ściśle zależna od różnicy temperatur ΔT między temperaturą absorbera T abs i temperaturą otoczenia T o. Im wartość ta jest wyższa, tym kolektor słoneczny generuje większe straty ciepła do otoczenia, a w konsekwencji tego zmienia się jego wartość progowa I smin. Wartość progową natężenia promieniowania słonecznego I smin opisuje zależność (2), a jej interpretację graficzną przedstawia rysunek 7. I smin k1 ( Tabs To ) k2 ( Tabs To ) 2 [W/m 2 ] (2) gdzie: I smin wartość progowa natężenia promieniowania słonecznego kolektora słonecznego [W/m 2 ], pozostałe oznaczenia jak w zależności (1). Rys. 7 Wartość progowa natężenia promieniowania słonecznego kolektora słonecznego 2.4 Płaskie kolektory słoneczne Budowę płaskiego kolektora słonecznego typu Logasol SKN 3.0 pokazano na rysunku 8, natomiast jego charakterystykę techniczną przedstawiono w tabeli 1. 6
Rys. 8 Budowa płaskiego kolektora słonecznego typu Logasol SKN3.0: 1 - wylot ogrzanego czynnika, 2 - szyba ochronna, 3 - miejsce pomiaru temperatury, 4 - rurki miedziane, 5 izolacja cieplna, 6 - rama montażowa z włókien szklanych, 7 - absorber, 8 - narożnik wzmacniający, 9 - wlot czynnika grzewczego Tabela 1 Charakterystyka techniczna płaskiego kolektora słonecznego typu Logasol SKN 3.0 Rodzaj budowy SKN 3.0-s SKN 3.0-w Powierzchnia zewnętrzna (powierzchnia m 2 2,37 brutto) Powierzchnia czynna (dopływu światła) m 2 2,25 Powierzchnia absorbera (powierzchnia netto) m 2 2,23 Pojemność absorbera dm 3 0,86 1,25 Selektywność stopień absorpcji % 96 stopień emisji % 12 Ciężar kg 41 42 Sprawność optyczna % 77 Efektywny współczynnik przewodzenia liniowy k1 W/m 2 K 3,681 ciepła nieliniowy k2 W/m 2 K 2 0,0173 Pojemność cieplna kj/m 2 K 2,96 Współczynnik korekcyjny kąta promieniowania I AM/50 C 0,911 Maksymalna temperatura robocza o C 120 Temperatura stagnacji o C 188 Nominalny objętościowy strumień przepływu płynu solarnego dm 3 /h 50 Maksymalne nadciśnienie robocze (ciśnienie próbne) bar 6 Uzysk kolektora 1) kwh/m 2 rok 525 Wydajność RAL-UZ 73 ( niebieski anioł) kryteria zostały spełnione 1) Minimalna wydajność kolektora na podstawie pomiarów wykonanych wg EN 12975, przy pokryciu 40% w miejscowości Wurzburg (Niemcy), dzienny pobór ciepłej wody 200 dm 3. 7
Wartosc progowa Ismin [W/m2] Sprawnosc kolektora slonecznego [-] Na efektywność kolektora słonecznego wpływa rodzaj jego powłoki. Kolektor słoneczny firmy Buderus typu Logasol SKN 3.0 zaopatrzony jest w absorber selektywny (7), który praktycznie w całości pochłania padające promieniowanie słoneczne (promieniowanie nadfioletowe) i słabo emituje własne promieniowanie podczerwone. Absorber ten pokryty jest specjalną szybą solarną (2) charakteryzującą się wysokim współczynnikiem przekazywania promieniowania słonecznego oraz odpowiednio ukształtowaną powierzchnią, przyczyniającą się do wzrostu sprawność cieplnej kolektora, wskutek rozpraszania padającego promieniowania słonecznego. Ponadto szyba solarna chroni absorber przed konwekcyjnym oddziaływaniem wiatru, a także stanowi ekran dla promieniowania podczerwonego, emitowanego do otoczenia. Rama kolektora słonecznego typu Logasol SKN 3.0 zbudowana jest z włókna szklanego (6), co powoduje, że jest on lekki, trwały, odporny na korozję i warunki pogodowe. Oceniając stronę hydrauliczną omawianego kolektora, to należy podkreślić, że charakteryzuje się on niskimi oporami przepływu, które wynikają z konfiguracji rurek przepływowych płynu solarnego ułożonych w układzie szeregowo równoległym (układ harfowy). Na rysunku 9 przedstawiono sprawność całkowitą kolektora słonecznego typu Logasol SKN 3.0 dla natężenia promieniowania słonecznego równego I s = 800 W/m 2, natomiast na rysunku 10 podano jego wartości progowe natężenia promieniowania słonecznego I smin. 1 0.9 0.8 0.7 0.6 SKN ( T) 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 T Roznica temperatur [K] Rys. 9 Sprawność całkowita kolektora słonecznego typu Logasol SKN 3.0. I sminskn ( T) 300 270 240 210 180 150 120 90 60 30 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 T Roznica temperatur [K] Rys. 10 Wartości progowe natężenia promieniowania słonecznego I smin dla kolektora słonecznego typu Logasol SKN 3.0 8
Zarówno produkcja kolektora słonecznego typu Logasol SKN 3.0, jak i jego późniejsza eksploatacja przynosi oszczędność energii pierwotnej. Wynika to z tego, że kolektor ten potrzebuje około roku, aby pozyskać taką ilość energii, jaka została zużyta do jego produkcji, jest to tzw. czas amortyzacji energetycznej. Na koniec warto podkreślić, że kolektor słoneczny typu Logasol SKN 3.0 jest oznaczony najstarszym znakiem ekologicznym w Europie, zwanym potocznie Błękitny anioł. System certyfikacji, z którym jest on związany, powstał w 1977 roku. Szczegółowe kryteria jego oceny podane są w wymaganiach o symbolu RAL UZ 73. Podstawowym kryterium oceny prezentowanego kolektora jest uzyskiwanie minimalnej rocznej wydajności cieplnej, na poziomie 525 kwh/m 2 przy 40% udziale energii promieniowania słonecznego w całej produkcji c.w.u.. 2.5 Próżniowe kolektory słoneczne Budowę próżniowego kolektora słonecznego typu Vaciosol CPC6/CPC12 pokazano na rysunku 11, natomiast jego charakterystykę techniczną przedstawiono w tabeli 2. Rys. 11 Budowa płaskiego kolektora słonecznego typu Vaciosol CPC6/CPC12: 1 króćce zasilania i powrotu, 2 tuleja czujnika temperatury, 3 rury rozprowadzające, 4 izolacja cieplna, 5 obudowa, 6 rura miedziana, 7 element blaszany odbierający ciepło od absorbera, 8 element blaszany osłaniający, 9 - absorber, 10 rura próżniowa, 11 lustro CPC. Ze względu na naprężenia mechaniczne wywołane próżnią, kolektor słoneczny typu Vaciosol CPC6/CPC12 zbudowany jest z rur szklanych o podwójnej ściance (10), w których naprężenia są lepiej przenoszone niż w przypadku szczelin płaskich. Końce rur są ze sobą spojone, a w przestrzeniach między ściankami znajduje się próżnia, która spełnia funkcję 9
doskonałej izolacji cieplnej dla absorbera (9). Absorber naniesiony jest na całym obwodzie zewnętrznej powierzchni, wewnętrznej ścianki rury szklanej. W przestrzeni tej nie zachodzą procesy przewodzenia i konwekcji. W takim przypadku ciepło przekazywane jest tylko na drodze promieniowania, w wyniku czego mniejsze są straty ciepła do otoczenia. Powierzchnia absorbująca wykonana jest z wysoko selektywnego absorbera, a jest nim azotyn glinu. Substancja ta charakteryzuje się wysokim współczynnikiem absorpcji i małym współczynnikiem emisyjności. Tabela 2 Charakterystyka techniczna kolektora słonecznego typu Vaciosol CPC12/CPC6 Rodzaj budowy CPC 6 CPC 12 Powierzchnia zewnętrzna (powierzchnia brutto) Powierzchnia czynna (dopływu światła) m 2 1,43 2,82 m 2 1,28 2,56 Pojemność absorbera dm 3 0,97 1,91 Selektywność stopień absorpcji % >0,95 stopień emisji % <0,05 Ciężar kg 24 46 Sprawność optyczna % 66,5 Efektywny współczynnik przewodzenia ciepła liniowy k1 W/m 2 K 0,721 nieliniowy k2 W/m 2 K 2 0,006 Pojemność cieplna kj/m 2 K 7,974 Temperatura stagnacji o C 294 Nominalny obj. strumień przepływu płynu solarnego dm 3 /h 46 92 Maksymalne nadciśnienie robocze (ciśnienie próbne) bar 10 Wydajność Uzysk kolektora 2) kwh/m 2 rok 525 RAL-UZ 73 ( niebieski anioł ) kryteria zostały spełnione Przewidywalna wydajność (Uzysk) 2) kwh/m 2 rok 611 EG badania typu Z-DDK-MUC-04-100029919-005 1) Przewidywana wydajność (uzysk) w oparciu o normę DIN 4757, przy powierzchni kolektora 5 m 2 oraz 200 dm 3 dziennym zapotrzebowaniu c.w.u.(miasto Würzburg Niemcy), 2) Minimalna wydajność zgodnie z normą DIN 4757, przy trwałym udziale pokrycia40% oraz dziennym zapotrzebowaniu c.w.u. na poziomie 200 dm 3. Ciepło z rury odbierane jest przez przylegającą do jej wewnętrznej powierzchni, w sposób zapewniający kontakt cieplny na całym obwodzie - cienką blachę aluminiową (7). Z kolei blacha ta uformowana jest w taki sposób, że przylega do rur (6), przez które przepływa płyn solarny odbierający ciepło. Pojedyncze rury szklane łączone są w większe zespoły 12 - rurowe, w przypadku kolektora słonecznego typu Vaciosol CPC12 oraz 6 - rurowe w przypadku kolektora typu Vaciosol CPC6. Taki system połączeń jest niewątpliwie zaletą, ponieważ umożliwia w razie awarii wymianę tylko pojedynczych rur, a nie całego kolektora. 10
Kolektory słoneczne typu Vaciosol CPC12/CPC6 posiadają w swej budowie specjalne lustro (reflektor) - (11), które zwiększa gęstość strumienia energii promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię absorbera, a także skupia je niezależnie od kierunku ich padania (rys. 12). Dzięki temu następuje zwiększenie wydajności cieplnej prezentowanego kolektora. Ponadto lustro charakteryzuje się wysokim współczynnikiem odbicia promieniowania słonecznego, a także odpornością na korozję atmosferyczną. Rys. 12 Rysunek poglądowy skupiania promieniowania słonecznego przez lustro CPC na powierzchnię absorbera Kolektor próżniowy typu Vaciosol CPC12/CPC6 podobnie jak omówiony wcześniej kolektor płaski typu Logasol SKN 3.0 również oznaczony jest najstarszym znakiem ekologicznym w Europie, zwanym potocznie Błękitny anioł. 2.6 Porównanie kolektorów słonecznych Wybierając system grzewczy oparty na bezpośrednim wykorzystaniu energii słonecznej, w skład którego wchodzą kolektory słoneczne zastanawiamy się jaki rodzaj kolektorów zastosować: kolektory próżniowe rurowe czy może kolektory płaskie? Zarówno kolektor próżniowy typu Vaciosol CPC12/CPC6, jak i kolektor płaski typu Logasol SKN3.0 przy określonej różnicy temperatur ΔT między temperaturą absorbera T abs i temperaturą otoczenia T o otrzymują od Słońca identyczną ilość energii promieniowania słonecznego, ponieważ posiadają taką samą sprawność cieplną. Zależność tą ilustruje punkt przecięcia charakterystyk sprawnościowych omawianych kolektorów (rys. 13). 11
Sprawnosc kolektora slonecznego [-] SKN ( T) CPC ( T) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 T Roznica temperatur [K] Rys. 13 Porównanie charakterystyk sprawnościowych kolektorów słonecznych: Logasol SKN3.0 i Vaciosol CPC12/CPC6 Należy zauważyć, że wraz ze spadkiem bądź wzrostem różnicy temperatur ΔT, sprawność cieplna kolektorów również ulega zmianie. I tak, kolektor płaski typu Logasol SKN3.0 w porównaniu do kolektora próżniowego typu Vaciosol CPC12/CPC6 charakteryzuje się wyższą sprawnością cieplną przy małych różnicach temperatur do ok. 25 K. Wraz ze wzrostem tej różnicy sprawność tego kolektora ulega spadkowi, natomiast sprawność cieplna kolektora próżniowego utrzymuje się na wysokim poziomie. Zatem kolektory płaskie typu Logasol SKN3.0 pod względem energetycznym są wydajniejsze w okresach letnich (wiosna, lato), zaś kolektory próżniowe w okresach przejściowych (jesień, zima), co pokazuje rysunek 14. Rys. 14 Porównanie wydajności cieplnej kolektorów słonecznych przy dziennym zapotrzebowaniu na c.w.u. w wysokości 300 dm 3 o temp. 45 o C oraz rocznym stopniu jej pokrycia na poziomie 50%: A - przez kolektory typu Logasol SKN3.0, B - przez kolektory typu Vaciosol CPC12/CPC6; oznaczenia: Energia dodatkowego źródła, Energia słoneczna, Wymagana energia do podgrzewania c.w.u. 12
Należy jednak pamiętać, że sprawność cieplna kolektora słonecznego zależy również od temperatury nośnika ciepła (płynu solarnego), a co za tym idzie temperatury absorbera. Jeżeli temperatura ta będzie wysoka (a to wiąże się z dużą różnicą temperatur ΔT), wówczas może się okazać że w okresie letnim wydajniejszy będzie kolektor próżniowy. Wysoka temperatura nośnika ciepła ma miejsce w instalacjach opartych na płaskich kolektorach słonecznych o wysokim rocznym stopniu pokrycia zapotrzebowania na c.w.u (rys. 15). Wówczas w okresach letnich kolektory typu Logasol SKN 3.0 z powodu nadmiaru swojej energii grzewczej pracują przy wysokich temperaturach, a to wiąże się ze spadkiem ich sprawności cieplnej. W takiej sytuacji należy zastosować kolektory próżniowe, co ilustruje rysunek 16. Rys. 15 Wydajność cieplna kolektorów słonecznych typu Logasol SKN3.0 przy dziennym zapotrzebowaniu na c.w.u. w wysokości 300 dm 3 o temp. 45 o C oraz rocznym stopniu jej pokrycia na poziomie 60%; oznaczenia jak na rysunku 14 Rys.16 Wydajność cieplna kolektorów słonecznych typu Vaciosol CPC12/CPC6 przy dziennym zapotrzebowaniu na c.w.u. w wysokości 300 dm 3 o temp. 45 o C oraz rocznym stopniu jej pokrycia na poziomie 60%; oznaczenia jak na rysunku 14 Wartości progowe natężenia promieniowania słonecznego dla omawianych kolektorów słonecznych pracujących przy różnych wartościach ΔT przedstawiono na rysunku 17. Wynika z niego, że kolektor próżniowy typu Vaciosol CPC12/CPC6 w porównaniu do kolektora płaskiego typu Logasol SKN 3.0 zaczyna gromadzić energię cieplną już przy 13
Wartosc progowa Ismin [W/m2] stosunkowo małej wartości natężenia promieniowania słonecznego, dzięki m.in., doskonałej izolacji cieplnej, jaką jest próżnia, co skutkuje minimalnymi stratami ciepła do otoczenia. W związku z tym kolektory te są o 25-30% wydajniejsze od kolektorów płaskich typu Logasol SKN 3.0. Inaczej, aby uzyskać ten sam efekt wydajności cieplnej jak dla kolektorów typu Logasol SKN 3.0 o danej powierzchni absorbera, uzyska się z kolektora typu Vaciosol CPC12/CPC6 o powierzchni absorbera mniejszej o 25 30%. I sminskn ( T) I smincpc ( T) 300 270 240 210 180 150 120 90 60 30 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 T Roznica temperatur [K] Rys. 17 Porównanie charakterystyk wartości progowych natężenia promieniowania słonecznego dla kolektora płaskiego typu Logasol SKN 3.0 i kolektora próżniowego typu Vaciosol CPC12/CPC6 Rys. 18 Porównanie wydajności cieplnej kolektorów słonecznych przy dziennym zapotrzebowaniu na c.w.u. w wysokości 300 dm 3 o temp. 45 o C oraz rocznym stopniu jej pokrycia na poziomie 30%: A - przez kolektory typu Vaciosol CPC12/CPC6, B - przez kolektory typu Logasol SKN3.0.; oznaczenia jak na rysunku 14. W instalacjach solarnych, w których stopień pokrycia zapotrzebowania na c.w.u. kształtuje się na poziomie 20-40%, różnica w pracy pomiędzy kolektorami płaskimi typu Logasol SKN 3.0 i próżniowymi typu Vaciosol CPC12/CPC6 jest nieznaczna (rys. 18). 14
Dlatego w tego typu instalacjach zasadne jest stosowanie kolektorów płaskich typu Logasol SKN 3.0, bowiem zapewni to niższe koszty inwestycyjne i wysoką efektywność ich pracy, która wynika z niskich temperatur nośnika ciepła (płynu solarnego). 3. Lokalizacja kolektora słonecznego O miejscu montażu kolektora słonecznego decydują dwa parametry: orientacja względem stron świata oraz kąt nachylenia kolektora słonecznego do poziomu. 3.1 Orientacja kolektora słonecznego względem stron świata Kolektor słoneczny osiąga największą wydajność cieplną wtedy, kiedy jego usytuowanie nie odbiega (w granicach +/- 15 o ) od kierunku południowego. Przy większym odchyleniu kolektora od tego kierunku, jego wydajność znacznie się zmniejsza. W celu uzyskania tej samej wydajności co z kierunku południowego, powierzchnię płaskiego kolektora słonecznego należy powiększyć o odpowiednie współczynniki korekcyjne (rys. 19). Z rysunku tego wynika również, że odchylenie kolektora od kierunku południowego w kierunku zachodnim jest korzystniejsze niż w kierunku wschodnim. Rys. 19 Współczynniki korekcyjne dla płaskich kolektorów słonecznych w zależności od kierunku świata 3.2 Kąt nachylenia powierzchni kolektora słonecznego do poziomu Kąt nachylenia powierzchni kolektora słonecznego do poziomu zależy od kąta padania promieni słonecznych na Ziemię, którego wielkość zależna jest od pory roku (rys. 20), a także szerokości geograficznej na której znajduje się instalacja solarna. 15
Rys. 20 Kąt padania promieni słonecznych w zależności od pory roku a) b) Rys. 21 a) Kąt padania promieni słonecznych w zależności od szerokości geograficznej, b) Kąt padania promieni słonecznych uwzględniający szerokość geograficzną w zależności od pory roku Rys. 22 Współczynniki korekcyjne nachylenia kolektora płaskiego do poziomu w czasie jego rocznej eksploatacji Polska znajduje się na szerokości geograficznej równej około 50 o. Kąt padania promieni słonecznych dla tej szerokości zmienia się o ok. +/- 23 o (rys. 21a), dlatego kąt nachylenia kolektora słonecznego powinien zmieniać się w granicach od 27 do 73 o (rys. 21b). I tak, dla okresu jesienno-zimowego, kąt nachylenia powinien być wyższy (ok. 60 o ) niż w okresie wiosenno-letnim (ok. 30 o ), natomiast optymalny kąt w okresie jego całorocznej eksploatacji 16
powinien wynosić ok. 40 o. W przypadku innej wartości, należy zwiększyć powierzchnię kolektora płaskiego o odpowiednie współczynniki korekcyjne (rys. 22). 4. Budowa instalacji solarnej przeznaczonej do przygotowania c.w.u. Instalacja solarna przeznaczona do przygotowania c.w.u. składa się z czterech podstawowych elementów (rys.23): kolektora słonecznego (1), zespołu pompowego (2), układu regulacji pracą instalacji (3), podgrzewacza c.w.u. (4). Rys. 23 Budowa instalacji solarnej do przygotowania c.w.u. 4.1 Kolektory słoneczne Wyróżniamy dwa rodzaje kolektorów słonecznych: płaskie typu Logasol SKN 3.0 oraz próżniowe typu Vaciosol CPC12/CPC6, które zostały omówione w punkcie 2. 4.2 Zespół (stacja) pompowy Kompletna stacja pompowa umożliwia łatwe i nieskomplikowane podłączenie wszystkich elementów zabezpieczających oraz regulacyjnych instalacji solarnej. Składa się ona z następujących elementów (rys. 24): pompy obiegu solarnego, odpornej na działanie wysokich temperatur (1); zaworu bezpieczeństwa (3); 17
manometru (7); zaworów kulowych (2) na przewodzie zasilającym (Z) i powrotnym (P) obiegu solarnego wraz ze zintegrowanymi termometrami (2); separatora powietrza (6); rotametru do pomiaru i regulacji przepływu strumienia płynu solarnego (4); króćca do podłączenia naczynia wzbiorczego (8); zaworów do napełniania instalacji solarnej płynem niezamarzającym (5). Rys. 24 Budowa dwupionowej kompletnej stacji pompowej instalacji solarnej typu Logasol KS 4.3 Układ regulacji pracą instalacji solarnej Układ regulacji pracą instalacji solarnej pozwala efektywnie wykorzystać energię promieniowania słonecznego. Może on być zamontowany na ścianie bądź zintegrowany ze stacją pompową (rys.25). a) b) Rys. 25 Sterownik typu Logamatic SC: a) zintegrowany ze stacją pompową, b) ścienny 18
Rys. 26 Schemat ideowy sterowania instalacją solarną Zadaniem sterownika jest kontrola utrzymywania nastawionej różnicy temperatur pomiędzy kolektorem słonecznym i zasobnikiem na poziomie ok. 8 K (rys. 26). Dwa czujniki mierzą aktualne wartości temperatur, w kolektorze słonecznym (2) oraz w dolnej części zasobnika (1). W przypadku wystarczającego promieniowania słonecznego, to znaczy po przekroczeniu nastawionej różnicy temperatur, układ regulacji załącza pompę obiegu solarnego (3). Następuje wówczas proces podgrzewania c.w.u. w zasobniku. Jeżeli w wyniku zmniejszonej intensywności promieniowania słonecznego różnica temperatur obniży się poniżej nastawionej wartości zadanej (< 8 K), wtedy układ regulacyjny spowoduje zmniejszenie prędkości obrotowej pompy obiegowej (3), co z kolei przyczyni się do zmniejszenia przepływu strumienia płynu solarnego przez kolektory słoneczne i pozwoli na utrzymanie różnicy temperatur na wymaganym poziomie. Sterownik wyłącza całkowicie pompę, gdy mierzona różnica temperatur spadnie poniżej połowy ustawionej wartości zadanej (4 K). W przypadku niedostatecznej temperatury c.w.u. w zasobniku, załączone zostaje jej dogrzewanie przez konwencjonalny kocioł grzewczy. 4.4 Zasobniki solarne W zależności od sposobu ładowania zasobników solarnych, wyróżnia się: zasobniki ładowane pojemnościowo za pomocą wężownicy solarnej typu Logalux SM (rys. 31a) oraz zasobniki ładowane warstwowo za pomocą syfonu termicznego typu Logalux SL (rys. 31b). 19
W zasobnikach ładowanych pojemnościowo za pomocą wężownicy solarnej pojemność wody podgrzewana jest równomiernie do określonej temperatury, natomiast w zasobnikach z syfonem termicznym warstwowo od góry zasobnika (rys. 32). a) b) Rys. 31 Budowa biwalentnych zasobników solarnych: a) zasobnik c.w.u. typu Logalux SM ładowany poprzez wężownicę solarną; 1- anoda magnezowa, 2 - izolacja cieplna, 3 - wylot ciepłej wody, 4 - zbiornik zasobnika, 5 - górny wymiennik ciepła (rurowe powierzchnie wymiany ciepła) dla konwencjonalnego dogrzewania wody pitnej w zasobniku przez kocioł grzewczy, 6 - solarny wymiennik ciepła (rurowe powierzchnie wymiany ciepła), 7 - wlot zimnej wody; b) zasobnik c.w.u. typu Logalux SL ładowany warstwowo poprzez syfon termiczny; 6 - rura odprowadzająca ciepłą wodę, 7 - klapa grawitacyjna, 8 - solarny wymiennik ciepła (rurowe powierzchnie wymiany ciepła); pozostałe oznaczenia jak na rysunku a. Spowodowane jest to tym, że wymienniki solarne w zasobnikach z syfonem termicznym ogrzewają jedynie małą ilość wody do temperatury zbliżonej do poziomu temperatury zasilania systemu solarnego. Podgrzana woda przemieszcza się do góry w rurze odprowadzającej ciepło osiągając poziom, z którego może być pobierana przez odbiorców. Przy normalnym promieniowaniu słonecznym w krótkim czasie zostaje osiągnięta tam zadana wartość temperatury. W związku z powyższym tylko w rzadkich przypadkach występuje konieczność dodatkowego podgrzewania ciepłej wody użytkowej przez kocioł grzewczy. W zależności od intensywności podgrzewania wody przez system solarny, woda wznosi się tylko do takiej wysokości, aż osiągnie warstwę o zbliżonym poziomie temperatury. Otwiera się wtedy sterowana wyporem cieczy, właściwa klapa grawitacyjna. W przedstawiony sposób osiągane jest warstwowe ładowanie zasobnika od jego części górnej do dołu. 20
Rys. 32 Porównanie podgrzewania c.w.u. przez dwa rodzaje zasobników: a) typu Logalux SM, b) typu Logalux SL. Wnioski Instalacje solarne ze względu na złożoność procesów wymiany ciepła między kolektorem słonecznym a otoczeniem wymagają specjalistycznego spojrzenia w celu dokonania prawidłowego doboru kolektorów słonecznych, jak i elementów instalacji solarnych. Wiele osób zadaje podstawowe pytanie, a mianowicie: jakie kolektory słoneczne należy zastosować w konkretnej instalacji solarnej, płaskie czy próżniowe? Odpowiedź na to pytanie nie jest prosta. Należy wcześniej zapytać: na jakie potrzeby będzie pracować instalacja solarna, czy dla podgrzewania c.w.u. w małym domu, czy na potrzeby dużego hotelu? Czy hotel jest użytkowany całoroczne, czy tak jak hotele nadmorskie tylko w okresie letnim, czy wręcz przeciwnie jak hotele górskie, tylko w sezonie zimowym. I pytanie najważniejsze: w jakim procencie instalacja solarna ma pokrywać produkcję ciepłej wody w budynku, a w jakim w hotelu. Zatem w omawianym zagadnieniu można sformułować wiele pytań i udzielić na nie wiele odpowiedzi. Nie można w sposób jednoznaczny stwierdzić, który rodzaj kolektorów słonecznych jest najlepszy i odpowiedni. Analizując rysunki 14, 15 i 16 można stwierdzić, że hotel wybudowany w Zakopanem powinien być wyposażony w kolektory próżniowe, które pozwalają na pozyskiwanie energii cieplnej w miesiącach zimowych i równocześnie nie będą przegrzewały wody w zasobnikach w miesiącach letnich. Natomiast hotel wybudowany w Gdańsku, nad morzem, powinien zostać wyposażony w kolektory płaskie. Pozwalają one na uzyskanie znacznych ilości energii cieplnej w miesiącach letnich, którą można wykorzystać 21
nie tylko do podgrzewana c.w.u., ale i do podgrzewania wody w basenie. Jednocześnie umożliwiają one podgrzanie wody do zadawalających temperatur w okresie jesiennym, kiedy to ilość przebywających gości w hotelu jest niewielka. Jeżeli rozpatrujemy małą instalację solarną pracującą na potrzeby 4-osobowej rodziny, wówczas powinniśmy zastosować podobną analogię. Jeżeli latem zużywamy duże ilości ciepłej wody i równocześnie w budynku jest basen, to powinniśmy wybrać kolektory płaskie. Jeżeli jednak zużycie wody latem i zimą jest porównywalne, a chcemy oszczędzać energię cieplną również zimą, to w takim przypadku należy wybrać kolektory próżniowe. Pozwolą one w niewielkim stopniu zaoszczędzić energię cieplną na podgrzewanie wody również w zimowe, ale bezchmurne dni. Należy jednak pamiętać, ze nie ma jednoznacznego i ogólnego zalecenia w odniesieniu do wyboru rodzaju kolektora słonecznego. W każdym przypadku wybór taki powinien być poprzedzony szczegółową analizą techniczno-ekonomiczną. Najważniejsze jednak jest, aby przed wyborem rodzaju instalacji solarnej zastanowić się nad: wielkością (pojemnością) instalacji ciepłej wody w budynku ( 300 czy 3000 litrów ), zapotrzebowaniem budynku na ciepłą wodę użytkową ( mały domek, czy hotel ), położeniem tej instalacji na obszarze Polski, nad tym czy kolektory słoneczne mają wspomagać podgrzewanie wody w basenie, czy ogrzewanie w budynku i najważniejsze jakie będzie procentowe pokrycie produkcji c.w.u. przez instalację solarną. Należy również pamiętać, że nawet najprostsze i nieskomplikowane instalacje solarne powinny być wcześniej obliczone i sprawdzone pod względem energetycznym. Można to szybko i precyzyjnie wykonać posługując się prostym i niezawodnym kalkulatorem energetycznym instalacji solarnych SOLAD firmy Buderus. Literatura: 1. Atlas Rzeczpospolitej Polskiej, Główny geodeta Kraju, 1993-1997: arkusz 31.2 promieniowanie i temperatura powietrza 2. Lewandowski W.M.: Proekologiczne źródła energii. WNT, Warszawa, 2007. 3. Dobriański J.: Wymiana ciepła w instalacjach słonecznych z płaskimi kolektorami. WUW-M Olsztyn, 2009 4. Wiśniewski G. i inni: Kolektory słoneczne energia słoneczna w mieszkalnictwie, hotelarstwie i drobnym przemyśle. Wyd. MEDIUM, Warszawa, 2008 5. Materiały firmy BUDERUS 22