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. 2.3. 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:
-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,
-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.
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.
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 -20 0 C do +40 0 C przy zmiennych warunkach atmosferycznych typowych dla klimatu Polski. Zakres zmiany kąta nachylenia kolektora słonecznego względem poziomu wynosi od 45 55 0 C. Analizie kryterialnej poddano 3 różne rozwiązania koncepcyjne wg: -niezawodności pracy,
-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
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
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:
-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,
-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] www.hewalex.com.pl, [5] www.prema.pl, [6] www.befared.com.pl, [7] www.stomil.bydgoszcz.pl.