Projektowanie instalacji solarnych
Sam wysokowartościowy kolektor słoneczny nie zagwarantuje jeszcze optymalnej eksploatacji całej instalacji. Istotne jest tu raczej kompletne rozwiązanie systemowe
Prawidłowo zaprojektowane instalacje kolektorów słonecznych z wzajemnie zharmonizowanymi komponentami systemowymi powinny pokryć ok. 50 do 60% całorocznego zapotrzebowania energii na podgrzew c.w.u. w domu jedno-lub dwurodzinnym.
Kolektor
Parametry geometryczne kolektora
Dane techniczne kolektora
Temperatura postojowa - Jest to temperatura występująca w najcieplejszym miejscu kolektora, jeżeli nie zachodzi odbiór ciepła, przy 1000W globalnego natężenia promieniowania. Potwierdzenie zgodności Kolektory spełniają wymagania symbolu ochrony środowiska Błękitny Anioł wg RAL UZ 73. Sprawdzony zgodnie ze znakiem Solar-KEYMARK. Oznaczenie CE zgodnie z istniejącymi dyrektywami UE
Wpływ orientacji i pochylenia kolektora na uzysk energii
Ustawienie kolektora w przestrzeni
Wpływ orientacji i pochylenia kolektora na uzysk energii cd. Kąt nachylenia α Kąt nachylenia a jest kątem między poziomem a powierzchnią kolektora słonecznego. Przy montażu na dachu spadzistym kąt nachylenia narzucony jest przez nachylenie połaci dachu. Największą ilość energii absorber może wchłonąć wtedy, gdy płaszczyzna kolektora jest prostopadła do kierunku promieniowania słonecznego. Azymut Azymut określa odchylenie płaszczyzny kolektora od kierunku południowego; przy płaszczyźnie kolektora zorientowanej na południe azymut = 0. Ponieważ napromieniowanie jest najintensywniejsze w porze południowej, kolektor winien być zorientowany możliwie na południe. Dobre wyniki uzyskuje się jednak także przy odchyłkach azymutu do 45 na wschód lub zachód. Konieczność większych odchyleń można skompensować niewielkim zwiększeniem powierzchni kolektorów.
Kąt padania promieni słonecznych w zależności od pory roku
a) Kąt padania promieni słonecznych w zależności od szerokości geograficznej b) Kąt padania promieni słonecznych uwzględniający szerokość geograficzną w zależności od pory roku
Zysk ciepła dla różnych kątów ustawienia kolektora w zależności od pory roku
Wpływ orientacji i pochylenia kolektora na uzysk energii Instalacja kolektorów słonecznych w Polsce, zorientowana w kierunku południowym, z nachyleniem ok. 30-40 do poziomu, zapewnia w przekroju rocznym najwyższe uzyski energii. Ale nawet przy wyraźnych odstępstwach od takiego ustawienia (południowy wschód do południowego zachodu, nachylenie 25 70 ) zmniejszenie napromienienia jest nieznaczne dla możliwości zastosowania kolektorów słonecznych.
Wpływ orientacji i pochylenia kolektora na uzysk energii cd. Bardziej płaskie położenie jest korzystne, jeśli powierzchni kolektora nie można zorientować na południe. Tak więc instalacja kolektorów słonecznych z nachyleniem kolektorów 30 nawet przy orientacji 45 na wschód lub zachód od południa, zapewnia jeszcze uzysk równy prawie 95% uzysku optymalnego. Nawet przy orientacji wschodniej lub zachodniej uzysk sięga do 85%, jeśli nachylenie dachu mieści się w granicach 25 40. Korzyścią z bardziej stromego ustawienia powierzchni kolektora jest bardziej równomierne zaopatrzenie w energię w skali roku. Należy jednak unikać kątów nachylenia mniejszych od 20, gdyż wtedy nasila się zanieczyszczenie pokrycia kolektora.
Uzysk energii zmienia się w zależności od miejsca i sposobu montażu kolektorów słonecznych. Dach pochyły po stronie południowej zapewnia największy uzysk energii. Dach po stronie wschodniej lub zachodniej zapewnia już tylko 80% tego uzysku. W zależności od zakresu stosowania instalacji solarnej zaleca się następujące optymalne kąty nachylenia: Instalacja solarna do podgrzewu wody użytkowej od 30 do 45 - Taki mały kąt nachylenia uwzględnia wysokie położenie słońca w lecie. Instalacja solarna wspomagająca ogrzewanie pomieszczeń od 45 do 60 - Przy uwzględnieniu niskiego położenia słońca w okresach przejściowych i w zimie. Poprzez świadomy wybór dużego kąta nachylenia w lecie uzyskuje się skrócenie okresów stagnacji. Wpływ orientacji i pochylenia kolektora na uzysk energii cd.
Współczynniki korekcyjne
Wpływ orientacji i pochylenia kolektora na uzysk energii cd. W celu uzyskania tej samej wydajności co z kierunku południowego, powierzchnię płaskiego kolektora słonecznego należy powiększyć o odpowiednie współczynniki korekcyjne. Z analizy rysunku wynika, że odchylenie kolektora od kierunku południowego w kierunku zachodnim jest korzystniejsze niż odchylenie w kierunku wschodnim. Współczynniki korekcyjne dla płaskich kolektorów słonecznych w zależności od kierunku świata.
Wpływ orientacji i pochylenia kolektora na uzysk energii cd. Polska znajduje się w szerokości geograficznej równej około 50. Kąt padania promieni słonecznych dla tej szerokości zmienia się o ok. +/- 23, dlatego kąt nachylenia kolektora słonecznego powinien zmieniać się w granicach od 27 do 73. I tak, dla okresu jesienno-zimowego kąt nachylenia kolektora powinien być wyższy (ok. 60 ) niż w okresie wiosenno-letnim (ok. 30 ), natomiast optymalny kąt w okresie jego całorocznej eksploatacji powinien wynosić ok. 40. W przypadku innej wartości należy zwiększyć powierzchnię kolektora płaskiego o odpowiednie współczynniki korekcyjne.
Sprawność kolektorów
Sprawność kolektorów Współczynnik sprawności kolektora określa, jaka część promieniowania słonecznego padająca na powierzchnię czynną absorbera lub inną powierzchnię odniesienia zamieniana jest na użytkową moc cieplną. Współczynnik sprawności zależy od stanu roboczego kolektora. Część promieniowania słonecznego docierającego do kolektorów jest tracona na skutek odbić i absorpcji. Sprawność optyczna η 0 uwzględnia te straty.
Sumę promieniowania bezpośredniego i rozproszonego nazywa się promieniowaniem całkowitym Eg. W optymalnych warunkach (bezchmurne niebo, przejrzyste powietrze, pora południowa) wynosi ono maksymalnie do ok. 1000 W/m 2.
Przede wszystkim zależy od różnicy temperatur powierzchni kolektora i otoczenia
Sprawność kolektorów cd. Kolektory przy nagrzewaniu się oddają ciepło otoczeniu przez przenikanie cieplne, promieniowanie i konwekcję (ruch powietrza). Straty te uwzględniają współczynniki strat k 1 i k 2. Zależne są one od różnicy temperatur pomiędzy absorberem a otoczeniem.
Charakterystyki współczynnika sprawności Charakterystyki współczynnika sprawności pokazują optymalne zakresy zastosowania kolektorów. Im bardziej rośnie temperatura kolektora, tym większe są straty ciepła i tym mniejszy jest współczynnik sprawności. Na podstawie charakterystyk współczynnika sprawności można odczytać typowe obszary robocze kolektora. Z tego wynikają możliwości zastosowania kolektora. W trakcie nagrzewania się kolektor oddaje ciepło do otoczenia przez zachodzące procesy przewodzenia ciepła, przenikania cieplnego i konwekcji. Straty te uwzględnione są poprzez współczynniki strat ciepła k 1 i k 2.
Charakterystyki współczynnika sprawności pokazują optymalne zakresy zastosowania kolektorów. Im bardziej rośnie temperatura kolektora, tym większe są straty ciepła i tym mniejszy jest współczynnik sprawności. Na podstawie charakterystyk współczynnika sprawności można odczytać typowe obszary robocze kolektora. Z tego wynikają możliwości zastosowania kolektora. Typowe obszary robocze: 1 Instalacja solarna ciepłej wody użytkowej przy niskim stopniu pokrycia zapotrzebowania 2 Instalacja solarna ciepłej wody użytkowej przy wysokim stopniu pokrycia zapotrzebowania 3 Instalacja solarna ciepłej wody użytkowej i wspomagania ogrzewania pomieszczeń 4 Instalacja solarna ciepła technologicznego/klimatyzacji
Współczynniki strat ciepła i sprawność optyczna wyznaczają charakterystykę sprawności kolektora, którą można obliczyć z równania: Obok istniejącego do dyspozycji miejsca i warunków zabudowy, oraz innych uwarunkowań (np. długie okresy stagnacji dla budynków szkolnych), czynnikiem decydującym o wyborze typu kolektora jest zakładana w projekcie różnica temperatur pomiędzy średnią temperaturą kolektora a temperaturą otoczenia. Wpływa ona bowiem na sprawność kolektora. Im wyższa jest temperatura robocza kolektora, tym wyższa jest osiągana moc i tym samym uzysk energii z próżniowych kolektorów rurowych w stosunku do kolektorów płaskich.
Na sprawność kolektora słonecznego decydujący wpływ mają poszczególne elementy konstrukcyjne, a w szczególności właściwości przesłony przezroczystej absorbera oraz skuteczność izolacji cieplnej w danych warunkach atmosferycznych. Sprawność całkowitą kolektora słonecznego opisuje zależność: Energia promieniowania słonecznego padająca na powierzchnię kolektora słonecznego pomniejszona jest o jego straty optyczne oraz straty cieplne. Straty optyczne są wynikiem pochłaniania i odbijania 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 To. 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
Sprawność całkowita kolektora słonecznego
Jednym z najważniejszych parametrów opisujących cechy konstrukcyjne kolektora słonecznego jest wartość progowa natężenia promieniowania słonecznego Is min, 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 To. Im wartość ta jest wyższa, tym kolektor słoneczny generuje większe straty ciepła do otoczenia, a w konsekwencji tego zmienia się jego wartość progowa Is min. Wartość progową natężenia promieniowania słonecznego Is min opisuje zależność:
Zespół pompowy (stacja pompowa)
Kompletna stacja pompowa umożliwia łatwe i nieskomplikowane podłączenie wszystkich elementów zabezpieczających oraz regulacyjnych instalacji słonecznej. Składa się ona z następujących elementów : pompy obiegu solarnego, odpornej na działanie wysokich temperatur (1); zaworu bezpieczeństwa (3); 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 słonecznej płynem niezamarzającym (5).
Zasobniki solarne
W zależności od sposobu ładowania zasobników solarnych wyróżnia się: zasobniki ładowane pojemnościowo za pomocą wężownicy solarnej oraz zasobniki ładowane warstwowo za pomocą syfonu termicznego. W zasobnikach ładowanych pojemnościowo cała objętość wody w zasobniku podgrzewana jest równomiernie do określonej temperatury, natomiast w zasobnikach z syfonem termicznym warstwowo od góry zasobnika 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.
Biwalentne pojemnościowe podgrzewacze c.w.u.
Warstwowy sposób podgrzewania wody w zasobnikach powodowane jest tym, że wymienniki solarne w zasobnikach ogrzewają jedynie małą objętość wody do temperatury zbliżonej do poziomu temperatury zasilania systemu solarnego. Podgrzana woda przemieszcza się ku górze w rurze odprowadzającej ciepło, osiągając poziom, z którego może być pobierana przez odbiorców. Przy normalnym promieniowaniu słonecznym w bardzo krótkim czasie w przestrzeni w oków wężownicy, zostaje osiągnięta stosunkowo wysoka temperatury wody. 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 rura odprowadzająca ciepłą wodę, 7 klapa grawitacyjna, 8 solarny wymiennik ciepła (rurowe powierzchnie wymiany ciepła).
systemy ładowania warstwowego i układy multiwalentne
Zasobniki ładowane pojemnościowo za pomocą wężownicy solarnej oraz zasobniki ładowane warstwowo za pomocą syfonu termicznego
Układ regulacji pracą instalacji słonecznej
Układ regulacji pracą instalacji słonecznej pozwala efektywnie wykorzystać energię promieniowania słonecznego. Zadaniem sterownika jest kontrola utrzymywania nastawionej różnicy temperatur pomiędzy kolektorem słonecznym i zasobnikiem na poziomie ok. 8 K. Dwa czujniki mierzą aktualne wartości temperatur, w kolektorze słonecznym oraz w dolnej części zasobnika. W przypadku wystarczającego promieniowania słonecznego, to znaczy po przekroczeniu nastawionej różnicy temperatur, układ regulacji załącza pompę obiegu solarnego. 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, 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.