Wykorzystanie energii słonecznej Instalacje słonecznego ogrzewania Część 2 Zdzisław Kusto Politechnika Gdańska
Płaski Płaski cieczowy cieczowy kolektor kolektor słoneczny słoneczny Heliostar Heliostar Rozwiązanie Rozwiązanie konstrukcyjne. konstrukcyjne. Powierzchnia Powierzchnia użytkowa użytkowa panelu panelu kolektora kolektora F k = k 1,7 1,7 m 2 2 Płaski Płaski cieczowy cieczowy kolektor kolektor słoneczny słoneczny jest jest podstawowym podstawowym urządzeniem urządzeniem w instalacji instalacji słonecznego słonecznego ogrzewania ogrzewania wody. wody.
Płaski Płaski cieczowy cieczowy kolektor kolektor słoneczny słoneczny Elementy Elementy konstrukcyjne konstrukcyjne
Płaski Płaski kolektor kolektor słoneczny słoneczny Zasada Zasada działania działania
(!!!) (!!!) Płaskie kolektory słoneczne absorbują promieniowanie bezpośrednie oraz oraz promieniowanie rozproszone. Straty Straty ciepła ciepła w kolektorze kolektorze słonecznym: słonecznym: 1) 1) straty straty przewodzenia przewodzenia przez przez tylną tylną ścianę ścianę kolektora kolektora (przez (przez warstwę warstwę izolacji izolacji cieplnej) cieplnej) 2) 2) straty straty przewodzenia przewodzenia przez przez ścianki ścianki boczne boczne 3) 3) straty straty przewodzenia przewodzenia do do atmosfery atmosfery przez przez szybę szybę 4) 4) straty straty radiacyjne radiacyjne do do atmosfery atmosfery przez przez szybę. szybę. Straty Straty radiacyjne radiacyjne przez przez szybę szybę są są ograniczone ograniczone efektem efektem radiacyjnej radiacyjnej pułapki pułapki cieplnej cieplnej
Efekt Efekt pułapki cieplnej
Efekt Efekt pułapki cieplnej. Wykresy Wykresy widmowe widmowe jw. jw. w przedstawione przedstawione w jednostkach jednostkach względnych względnych (widmo (widmo słoneczne słoneczne i i widmo widmo dla dla T T x = x = 2500 2500 K) K)
Efekt Efekt pułapki cieplnej. Wykresy Wykresy widmowe widmowe jw. jw. w przedstawione przedstawione w jednostkach jednostkach względnych względnych (widmo (widmo słoneczne słoneczne i i widmo widmo dla dla T T x = x = 353 353 K t x t = x = 80 80 0 C) 0 C)
Efekt Efekt pułapki cieplnej. Zmiana Zmiana przepuszczalności przepuszczalności fali fali elektromagnetycznej przez przez szybę szybę szklaną szklaną dla dla promieniowania promieniowania w zakresie zakresie podczerwieni podczerwieni
Uwaga! Uzyskany efekt pułapki cieplnej w kolektorze słonecznym ma ma podobny mechanizm powstawania jak jak pułapka cieplna wytworzona w atmosferze Ziemi przez gazy cieplarniane (CO (CO 2, 2, metan i i inne inne gazy).
Górna powierzchnia płyty absorbera jest pokryta specjalną warstwą absorpcyjną, która zwiększa zdolność pochłaniania promieniowania słonecznego przez absorber. W obecnie produkowanych kolektorach słonecznych warstwa ta ma specjalnie uformowane własności selektywne, które pozwalają uzyskać: dużą zdolność pochłaniania wysokotemperaturowego promieniowania słonecznego(widmowa temperatura promieniowania słonecznego 5 000 K) i jednocześnie bardzo małą zdolność emisyjną dla promieniowania niskotemperaturowego (w zakresie od około 300 do około 400 K). Tak uformowana selektywność powiększa efekt pułapki cieplnej kolektora uzyskanej przez przykrycie płyty absorbera warstwą szklanych szyb.
Widmowa charakterystyka zdolności emisyjnej warstwy absorpcyjnej płyty absorbera słonecznego charakteryzująca się pożądanymi własnościami selektywności
Efekt pułapki cieplnej oraz efekt selektywności warstwy absorpcyjnej pozwala uzyskać wysoką sprawność kolektora słonecznego
Straty ciepła przez tylną ściankę kolektora słonecznego powinny być możliwie najmniejsze!!! W związku z tym do skrzyni kolektora pod absorber wkłada się warstwę dobrej izolacji cieplnej (termicznej), która ma bardzo mały współczynnik przewodności cieplnej λ. Przykłady: 1) wełna mineralna λ = 0,05 0,08 W/(mK) 2) wata szklana λ = 0,03 0,07 W/(mK) Izolacja cieplna musi być trwała!!!
Schemat połączenia pojedynczych paneli w baterię kolektorów słonecznych a) układ równoległy, b) układ mieszany szeregoworównoległy
BILANS CIEPLNY BATERII KOLEKTORÓW SŁONECZNYCH Użyteczna moc cieplna uzyskana z baterii kolektorów słonecznych : Q& u = q& u Fk = FR [ S U L ( Tin Ta )] Q& Q& u kol F k S strumień użyteczny promieniowania słonecznego pochłonięty przez absorber kolektora i zamieniony na ciepło, W/m 2, F R współczynnik odprowadzania ciepła z kolektora słonecznego, [ ], U L współczynnik całkowitych strat cieplnych z jednostkowej powierzchni kolektora (współczynnik przenikania ciepła), W/(m 2 K), T in temperatura płynu na wlocie do baterii kolektorów, 0 C, T a zewnętrzna temperatura otoczenia, 0 C, F k powierzchnia czynna baterii kolektorów, m 2, q& jednostkowa użyteczna moc cieplna uzyskana z baterii kolektorów słonecznych, W/m 2 u.
Sprawność energetyczna baterii kolektorów: Def.: iloraz użytecznej nocy cieplnej uzyskanej z baterii kolektorów i mocy promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię czynną baterii kolektorów I T. q& u η = η kol = q & u FR[ S U L ( Tin Ta )] = I I T T
Sprawność baterii kolektorów jest opisywana w postaci funkcji empirycznych Graficzna ilustracja sprawności baterii kolektorów w postaci funkcji empirycznej
Przykłady funkcji empirycznych opisujących sprawność baterii kolektorów słonecznych 1) Kolektor wodny z nieselektywnym absorberem, pojedyncza szyba: η kol [ 5,70 + 0,04 ( T T ] ς =,78 ) 0 in a 2) Kolektor wodny z selektywnym absorberem, pojedyncza szyba: η kol [ 3,70 + 0,0223 ( T T ] ς =,756 ) 0 in a 3) Kolektor wodny, absorber stalowy wytłaczany pod ciśnieniem, pokryty elektrolitycznie czarnym chromem (warstwa selektywna: α = 0,84, ε = 0,15), izolowany 8 cm warstwą pianki poliuretanowej, podwójna szyba szklana: η kol = 0,842 0,660 ς1 0, 1050 ς 2 1 ς 1 ς = = T in Tin T I T I T T a a U L
Podsumowanie: Użyteczną moc cieplną odprowadzaną bezpośrednio z baterii kolektorów słonecznych Q & kol można obliczyć według zależności: Q& kol = Q& = q& u u F k = I T F k η kol
INSTALACJA SŁONECZNEGO OGRZEWANIA WODY UŻYTKOWEJ Mały Mały odbiorca: odbiorca: Jedna Jedna 4 5 osobowa osobowa rodzina: rodzina: Schemat Schemat funkcjonalny funkcjonalny typowej typowej słonecznej słonecznej instalacji instalacji hybrydowej hybrydowej akumulacja akumulacja ciepła ciepła z z wyrównaniem wyrównaniem dobowym dobowym Bateria Bateria kolektorów kolektorów słonecznych słonecznych :: 5 6 m 2 2,, Wodny Wodny akumulator akumulator :: 200 200 400 400 litrów litrów Podgrzewacz Podgrzewacz konwencjonalny konwencjonalny olejowy, olejowy, gazowy, gazowy, elektryczny, elektryczny, (węglowy (węglowy? )) Woda Woda użytkowa użytkowa 45 45 0 0 C, C, Woda Woda uzupełniająca uzupełniająca ~10 ~10 0 0 C Nakład Nakład inwestycyjny inwestycyjny na na całą całą instalację instalację ~ 7 10 10 tys. tys. zł zł
INSTALACJA SŁONECZNEGO OGRZEWANIA WODY UŻYTKOWEJ Instalacja słonecznego ogrzewania musi musi mieć mieć zapewnione małe małe straty straty ciepła. ciepła. Wszystkie rurociągi z ciepłą ciepłą wodą wodą muszą muszą mieć mieć izolację cieplną. Szczególnie dobrą dobrą izolację cieplną musi musi mieć mieć zbiornik akumulacyjny (!!!) (!!!) Współczynnik Współczynnik strat strat ciepła ciepła z z akumulatora akumulatora przez przez ścianki ścianki zbiornika zbiornika do do otoczenia otoczenia U [W/(m 2 2 K)] K)] Def.: Def.: Współczynnik Współczynnik strat strat ciepła ciepła U jest jest to to moc moc cieplna cieplna przepływająca przepływająca ze ze zbiornika zbiornika do do otoczenia otoczenia przez przez 1 m 2 2 ścianki ścianki (wielowarstwowej) (wielowarstwowej) przy przy różnicy różnicy temperatury temperatury 1 K pomiędzy pomiędzy czynnikiem czynnikiem wewnątrz wewnątrz zbiornika zbiornika a otoczeniem. otoczeniem.
INSTALACJA SŁONECZNEGO OGRZEWANIA WODY UŻYTKOWEJ U 1 = 1 δ + α λ 1 + 1 α 2 α 1, α 2 współczynniki przejmowania ciepła [W / (m 2 K)] λ współczynnik przewodzenia ciepła w ściance [W/(m K)] δ grubość ścianki izolacyjnej [m]
SŁONECZNE OGRZEWANIE WODY UŻYTKOWEJ Mały Mały odbiorca: odbiorca: Jedna Jedna 4 5 osobowa osobowa rodzina: rodzina: Wykres Wykres udziału udziału rocznego rocznego pokrycia pokrycia zapotrzebowania zapotrzebowania na na ciepło ciepło energią energią słoneczną słoneczną na na ogrzewanie ogrzewanie wody wody użytkowej użytkowej Bateria Bateria kolektorów kolektorów słonecznych słonecznych : : 5 5 6 6 m 2 2,, Wodny Wodny akumulator akumulator : : 200 200 400 400 litrów litrów Podgrzewacz Podgrzewacz konwencjonalny konwencjonalny olejowy, olejowy, gazowy, gazowy, elektryczny, elektryczny, (węglowy (węglowy?? ) ) Woda Woda użytkowa użytkowa 45 45 0 C, 0 C, Woda Woda uzupełniająca uzupełniająca ~10 ~10 0 C 0 C Nakład Nakład inwestycyjny inwestycyjny na na całą całą instalację instalację ~ ~ 7 7 10 10 tys. tys. zł zł
SŁONECZNE OGRZEWANIE WODY UŻYTKOWEJ Q f u sol 0,0 0,000 0,1 0,110 0,2 0,216 0,3 0,305 0,4 0,370 0,5 0,430 0,6 0,470 0,7 0,500 0,8 0,530 0,9 0,545 1,0 0,560 1,1 0,570 1,2 0,580 1,3 0,585 1,4 0,590 1,5 0,595 1,6 0,600 1,7 0,605 1,8 0,609 1,9 0,612 2,0 0,615 Udział roczny u sola oraz udziały miesięczne u solj (j = 1, 2,... 12) są funkcjami zmiennej uogólnionej Q f Q f 40 F = k m & L k os Należy zauważyć, że: M& = m& L k k os F f = k k L os jest dobowym zużyciem ciepłej wody przez odbiorcę jest powierzchnią czynną baterii kolektorów przypadającą na jedną osobę
SŁONECZNE OGRZEWANIE WODY UŻYTKOWEJ Mały Mały odbiorca: odbiorca: Jedna Jedna 4 5 osobowa osobowa rodzina: rodzina: Wykresy Wykresy udziałów udziałów miesięcznego miesięcznego pokrycia pokrycia zapotrzebowania zapotrzebowania na na ciepło ciepło energią energią słoneczną słoneczną na na ogrzewanie ogrzewanie wody wody użytkowej użytkowej Bateria Bateria kolektorów kolektorów słonecznych słonecznych : : 5 5 6 6 m 2 2,, Wodny Wodny akumulator akumulator : : 200 200 400 400 litrów litrów Podgrzewacz Podgrzewacz konwencjonalny konwencjonalny olejowy, olejowy, gazowy, gazowy, elektryczny, elektryczny, (węglowy (węglowy?? ) ) Woda Woda użytkowa użytkowa 45 45 0 C, 0 C, Woda Woda uzupełniająca uzupełniająca ~10 ~10 0 C 0 C Nakład Nakład inwestycyjny inwestycyjny na na całą całą instalację instalację ~ ~ 7 7 10 10 tys. tys. zł zł
SŁONECZNE OGRZEWANIE WODY UŻYTKOWEJ Q f I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 0,1 3,0 7,0 13,0 20,0 23,0 23,0 23,0 15,0 3,5 1,5 0,0 0,2 0,2 6,0 13,0 24,0 33,5 42,0 42,0 42,0 26,5 7,0 1,5 0,0 0,3 0,3 9,0 18,5 33,0 46,0 59,0 59,0 59,0 37,0 10,0 2,5 0,0 0,4 0,4 11,5 23,5 41,5 57,0 73,0 74,0 73,0 46,0 13,0 3,5 0,0 0,5 0,5 14,0 28,0 48,0 67,0 85,0 87,0 85,0 54,0 15,5 4,0 0,0 0,6 0,6 16,0 31,5 55,5 76,5 92,5 94,5 92,5 61,5 17,5 4,5 0,0 0,7 0,7 18,0 35,0 61,5 83,0 96,5 98,0 96,5 67,5 19,5 5,0 0,0 0,8 0,8 20,0 38,0 67,0 89,0 99,0 100,0 99,0 73,0 21,5 6,0 0,0 0,9 0,9 21,5 41,0 72,0 93,0 100,0 100,0 100,0 78,0 23,0 6,5 0,0 1,0 1,0 23,0 44,0 76,5 96,5 100,0 100,0 100,0 83,0 25,0 7,0 0,0 1,1 1,1 25,0 46,5 80,5 98,5 100,0 100,0 100,0 86,5 27,0 7,5 0,0 1,2 1,2 26,0 48,5 84,0 99,5 100,0 100,0 100,0 89,5 28,5 8,0 0,0 1,3 1,3 27,0 50,5 86,5 100,0 100,0 100,0 100,0 92,5 29,5 8,0 0,0 1,4 1,4 28,5 52,5 88,5 100,0 100,0 100,0 100,0 95,0 31,0 8,5 0,0 1,5 1,5 29,5 54,0 91,0 100,0 100,0 100,0 100,0 96,5 31,5 9,0 0,0 1,6 1,6 30,5 55,5 92,5 100,0 100,0 100,0 100,0 98,0 32,0 9,5 0,0 1,7 1,7 31,0 56,5 94,0 100,0 100,0 100,0 100,0 99,0 33,0 9,5 0,0 1,8 1,8 31,5 57,0 95,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 33,5 10,0 0,0 1,9 1,9 32,0 58,0 96,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 34,0 10,0 0,0 2,0 2,0 32,0 58,5 97,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 34,0 10,0 0,0
SŁONECZNE OGRZEWANIE WODY UŻYTKOWEJ Średnia roczna roczna sprawność instalacji słonecznego ogrzewania wody wody użytkowej Wzrost udziału energii słonecznej w pokryciu zapotrzebowania na ciepło w ciepłej wodzie użytkowej powoduje spadek sprawności baterii kolektorów i sprawności całej instalacji słonecznej