Zdjęcie: NRCan

Solarne podgrzewanie wody

2

Idea działania SPW

Kolektory

słoneczne

3

Płaskie kolektory słoneczne

absorbują

- promieniowanie

bezpośrednie

oraz

- promieniowanie

rozproszone.

Pasywna

Rodzaje cyrkulacji

Aktywna

5

Warianty rozwiązań konstrukcyjnych instalacji solarnych

K

–

kolektor, Z

–

zasobnik,

P

–

pompa cyrkulacyjna,

W

–

wymiennik,

G

–

grzałka elektryczna,

GP

–

grzejnik

przepływowy,

R

–

regulator,

Układy bezpośredniego
podgrzewania wody
w kolektorach
słonecznych

6

Warianty rozwiązań konstrukcyjnych instalacji solarnych

K

–

kolektor, Z

–

zasobnik,

P

–

pompa cyrkulacyjna,

W

–

wymiennik,

G

–

grzałka elektryczna,

GP

–

grzejnik

przepływowy,

R

–

regulator,

NW

–

naczynie wzbiorcze

(uzupełnienie zasobów
cieczy roboczej

– glikolu,

ergolitu)

Układy pośredniego
podgrzewania wody
w kolektorach
słonecznych

Elementy przykładowego systemu SPW

Rysunek: NRCan

Wymiennik

ciepła

Zasilanie z sieci
lub np. panela PV

Kolektory słoneczne

Termosyfon Obieg

wody podgrzewanej

Ciepła woda

dla budynku

Zimna

woda

zasilająca

Obieg glikolowy

Rozdzielacz

Zawór

spustowy

W

od

a

po

dgr

zew

ana

s

ol

arni

e

Pompa glikolu

Wstępny

Zasobnik wody

podgrzewanej

przez system

solarny

Zasobnik

c.w.u.

Schemat systemu solarnego

podgrzewania wody

Naczynie
wzbiorcze

Układ jest sterowany regulatorem (nie jest zaznaczony na rys.)

Elementy systemów SPW

Kolektory słoneczne

-

najważniejsza część słonecznej instalacji grzewczej.

Zbiornik na wodę

– może to być dowolny bojler z wymiennikiem ciepła. Jeżeli

kolektory słoneczne mają być podłączone do tego samego zbiornika co piec
c.o., potrzebny będzie zbiornik z dwoma wymiennikami ciepła. Bojlery
produkowane specjalnie na potrzeby słonecznych instalacji grzewczych
umożliwiają podłączenie minimum dwóch, a czasami nawet trzech źródeł ciepła
(3 wymienniki ciepła), np. kolektory słoneczne, piec c.o. i pompa ciepła.

Wymiennik ciepła

– to bardzo ważny element całej instalacji. Wymiennik to

spiralna, żebrowana rura (najczęściej miedziana), umieszczona w zbiorniku
wody. Przepływa przez nią ciecz robocza, która ogrzewa przy tym wodę w
zbiorniku.

Pompka obiegowa

– co prawda można wykonać instalację o obiegu

grawitacyjnym, ale efekty są lepsze w instalacji z obiegiem wymuszonym.
Pompka pompuje ciecz roboczą przez kolektory słoneczne i wymiennik ciepła.

Regulator

– steruje całością i włącza pompkę, gdy temperatura w kolektorze

jest wyższa niż temperatura wody w zbiorniku oraz wykonuje inne funkcje
regulacyjne.

Elementy systemów SPW

Absorber

Typowy

absorber

wykonany z

blachy miedzianej lub aluminiowej

, pokryty czarną matową farbą

(α⁄ε≈1), w słoneczny dzień przy Hb= 800 W/m2 osiąga temperaturę równowagi ok. 343 K
(70

o

C). W celu podwyższenia tej temperatury, czyli ilości zaabsorbowanej energii można:

•Absorber pokryć powłokami selektywnymi, dla których α⁄ε≈8,5 (Cu pasywowane NaOH i
NaCl O

2

, ta=150÷160

o

C);

•Ograniczyć konwekcyjne straty ciepła, pokrywając absorber dodatkową przezroczystą osłoną
(plexi, szkło, szkło hartowane, ta= 110÷190

o

C);

•Skoncentrować promieniowanie słoneczne układem luster płaskich parabolicznych lub
soczewek.

Osłony kolektorów

Osłony kolektorów powinny być wytrzymałe na naciski, zginanie i ścieranie spowodowane:
wiatrem, śniegiem, gradem, piaskiem. Powinny mieć też dużą twardość. Być: łatwo zmywalne,
odporne na promieniowanie ultrafioletowe i jak najbardziej przezroczyste.

Izolacja kolektora

Izolacja o takiej grubości, aby strumień strat ciepła był mniejszy niż 1 W/m2 dla kolektorów
całorocznych i mniejszy niż 5 W/m2 dla kolektorów letnich. Współczynnik przewodności
cieplnej λ [W/(K*m)] materiałów izolacyjnych: polistyren porowaty –0,034, poliuretan
spieniony –0,024, wełna mineralna –0,035, ebonit porowaty –0,03, korek –0,041.

α

wsp

ółczynnik absorpcji absorbera

ε

wsp

ółczynnik emisji absorbera

Typy kolektorów skupiających

10

a) paraboliczny,

b) rynnowy,

c) rurowy z lustrami,

d) stożkowy,

e) paraboliczny, rynnowy,

f) z soczewkami Fresnela.

Kolektory słoneczne płaskie

11

Straty ciepła w kolektorze słonecznym:

1) straty przewodzenia przez tylną ścianę kolektora (przez warstwę izolacji

cieplnej)

2) straty przewodzenia przez ścianki boczne

3) straty przewodzenia do atmosfery przez szybę

4) straty radiacyjne do atmosfery przez szybę.

Straty radiacyjne przez szybę

są ograniczone efektem

radiacyjnej pułapki cieplnej.

Kolektory słoneczne -efekt pułapki cieplnej

12

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.

Kolektory słoneczne płaskie

Rysunek: NRCan

Najbardziej rozpowszechnione są płaskie kolektory cieczowe

Szyba

solarna

Obudowa

Absorber

Wężownica

Rura

zbiorcza

Izolacja

materiał o niskiej
zawartości tlenków
żelaza

miedź, mosiądz
lub aluminium,

zapobiega oddawaniu ciepła do
otoczenia ( wełna mineralna lub
poliuretan)

szczelna
aluminiowa

Do absorbera przymocowane są rurki

przez które przepływa ciecz robocza,

którą najczęściej jest glikol lub
ergolit.

Promieniowanie słoneczne jest
najefektywniej wykorzystywane, gdy
kolektor będzie:

•

zwrócony w stronę południową,

•

pochylony pod kątem 45 stopni –

jest to najlepszy kąt dla kolektorów
wykorzystywanych w okresie letnim,

•

zainstalowany w miejscu nie

zacienionym przez drzewa lub
budynki.

Typy kolektorów płaskich

14

h) z wypełnieniem komórkowym

a) z płaskim absorberem

b) z absorberem ryflowanym,

c) wodny otwarty,

d) powietrzny,

e) próżniowy,

f) z wypełnieniem,

g) powietrzno-wodny,

15

Kolektory słoneczne płaskie

Courtesy of DOE/NREL

•

Umiarkowana cena

•

Wysoka temperatura
pracy

•

Może pracować przy
ciśnieniu sieciowym
wody zasilającej

•

Ciężki, odporny na
uszkodzenia

roczna prod. do 550
kWh z m2

Kolektor Słoneczny

SOL S

Kolektory słoneczne próżniowe

•

są zbudowane z dwuściennych szklanych rurek,

•

pomiędzy zewnętrzną i wewnętrzną ścianą rurki istnieje próżnia,

która pełni rolę izolacji zapobiegającej stratom ciepła,

•

powłoka absorbująca może znajdować się na rurce wewnętrznej

Kolektory słoneczne próżniowe

Schemat rury kolektora próżniowego z

bezpośrednim przepływem płynu

solarnego

Wśród kolektorów próżniowych można spotkać dwa sposoby odbioru ciepła z

absorbera:

• bezpośredni poprzez bezpośredni przepływ płynu solarnego przez kolektor. Płyn

solarny przepływając przez U- kształtną rurkę połączoną z absorberem nagrzewa się i

powraca do rury zbiorczej.

Kolektory słoneczne próżniowe

Schemat rury kolektora próżniowego

typu „heat pipe”

• pośredni poprzez wykorzystanie ciepłowodu . W kolektorach wykorzystujących ten system

przekazywania ciepła wewnątrz szklanej rury znajduje się tzw. ciepłowód – wydłużony walcowaty

zbiornik wypełniony cieczą o niskiej temperaturze wrzenia zbudowany zazwyczaj z miedzi.

Pod wpływem promieni słonecznych nagrzany absorber przekazuje ciepło za pośrednictwem

wyprofilowanej blachy miedzianej lub aluminiowej do ciepłowodu.

Energia ta wykorzystywana jest do odparowania cieczy niskowrzącej, która w postaci gazu kieruje

się ku górze gorącej rurki. Następnie czynnik grzewczy instalacji słonecznej odbiera ciepło od pary

płynu niskowrzącego powodując jego skroplenie. Schłodzony czynnik po powrocie do postaci

płynnej spływa na dno gorącej rurki gdzie ulega ponownie nagrzaniu i odparowaniu- proces

rozpoczyna się od nowa.

Kolektory słoneczne próżniowe

Wykonanie tylnej ścianki kolektora
rurowego z lustrzanej stali
powoduje, że rurki są naświetlane

także kierunku przeciwnego do
kierunku padania promieniowania

słonecznego.

Kolektory słoneczne próżniowe

• Wysokie koszty

• Brak strat konwekcyjnych

• Uzysk energii do 30% większy w porównaniu z kolektorami płaskimi

• Wysoka temperatura

• Zimniejsze strefy klimatyczne

• Mała odporność na uszkodzenia

• Instalacja może być bardziej skomplikowana

• Opady śniegu stanowią mniejszy problem

Nowe typy kolektorów słonecznych

Kolektory z czynnikiem dwufazowym

Instalacje kolektorów z czynnikiem niskowrzącym (np.freon, amoniak, propan,butan), w

których zachodzi przemiana fazowa (wrzenie –kondensacja). W rozwiązaniach tych część

absorbująca promieniowanie słoneczne jest jednocześnie parownikiem czynnika

niskowrzącego, a w zasobniku znajduje się kondensator. Przepływ czynnika może być

grawitacyjny swobodny, grawitacyjny z pływakowym zaworem regulacyjnym lub

wymuszony pompą obiegową kondensatu.

Kolektory słoneczne z
czynnikiem dwufazowym:
a)Termosyfon

b)Z zaworem pływakowym
c)Rura cieplna
1

–kolektor parownik,

2

–kondensator,

3

–do kondensatora,

4

–zawór pływakowy,

5

–z kondensatora,

6

–parownik,

7

–ciepła woda użytkowa.

Nowe typy kolektorów słonecznych

Kolektory absorpcyjne

W typowych kolektorach słonecznych absorpcja promieniowania słonecznego odbywa się na

czarnej powierzchni absorbera, wewnątrz którego płynie czynnik roboczy. Sprawność kolektora
maleje wraz ze wzrostem temperatury powierzchni absorbera.

Pochłanianie energii promieniowania w nowym rozwiązaniu odbywa się w całej masie,

najczęściej barwnego, czynnika kolektora, przez co temperatura powierzchni stykającej sięz

otoczeniem jest niższa.

a)Tradycyjny absorpcyjny, b)Absorpcyjny z pochłanianiem energii promieniowania w objętości płynu

Modele dwóch typów kolektora słonecznego:

Schemat połączenia pojedynczych paneli

w

baterię kolektorów słonecznych

a) układ równoległy,
b) układ mieszany – szeregowo-równoległy

24

SPRAWNOŚĆ KOLEKTORA

25

i

u

P

P





m

t

a

u

P

P

P

P







Energia promieniowania słonecznego padająca na powierzchnię kolektora zostaje

częściowo zaabsorbowana, a częściowo odbita. Energia zaabsorbowana nie jest w

całości zużytkowana na ogrzanie wody, wskutek strat konwekcyjnych i przewodzenia.

Jednym z ważnych kryteriów oceny skuteczności działania i opłacalności stosowania

kolektora jest jego sprawność, która wyraża się wzorem:

i może być zdefiniowana jako stosunek gęstości mocy użytecznej do gęstości mocy

docierającego promieniowania.

Użyteczną gęstość mocy można opisać następującym wyrażeniem:

gdzie:

Pa – gęstość mocy przyjętej przez absorber,

Pt - gęstość mocy traconej,

Pm – gęstość mocy magazynowanej w absorberze, przewodach i innych

częściach konstrukcyjnych absorbera.

SPRAWNOŚĆ KOLEKTORA

26

i

a

P

P















otocz

a

t

T

T

k

P





Ponieważ kolektor pokryty jest szklaną płytą, która absorbuje lub odbija

energię słoneczną, gęstość mocy przyjętej przez absorber można obliczyć z

zależności:

gdzie:

Pi – gęstość mocy docierającego do kolektora promieniowania,

α – współczynnik absorpcji absorbera,

τ – współczynnik przepuszczania promieniowania przez płytę.

Gęstość mocy traconej jest uzależniona od różnicy temperatur absorbera Ta

oraz otoczenia Totocz, i można ją przedstawić za pomocą równania:

gdzie:

k – współczynnik transmisji ciepła.

SPRAWNOŚĆ KOLEKTORA

27





m

otocz

a

i

u

P

T

T

k

P

P

















2

wy

wl

asr

T

T

T





Po podstawieniu odpowiednich wyrażeń do wzoru na moc użyteczną,
gęstość mocy wynosi:


Ze względu na trudności z wyznaczeniem temperatury absorbera Ta, w
praktyce do wzoru podstawia się średnią temperaturę cieczy
wyznaczoną jako :


gdzie:

Twl

– temperatura na wlocie kolektora,

Twy

– temperatura na wylocie kolektora.

Badanie sprawności kolektora przeprowadza się w stanie ustalonym,
(temperatura na wlocie i wylocie jest stała). W takich warunkach
przyjmuje się, że Pm=0. Do obliczeń sprawności kolektora wprowadza
się dodatkowo współczynnik efektywności absorbera f, charakteryzujący
proces przekazywania ciepła z kolektora do cieczy.

SPRAWNOŚĆ KOLEKTORA

28











































































i

otocz

a

i

otocz

a

i

i

u

P

T

T

k

f

P

T

T

k

P

f

P

P

f





wl

wy

w

u

T

T

c

m

P











i

wl

wy

w

i

P

S

T

T

c

m

P

S

P















Sprawność kolektora można ostatecznie opisać jako:

W praktyce w obliczeniach moc użyteczną – oddaną przez kolektor

do wymiennika ciepła można policzyć z zależności:

gdzie:

m – natężenie przepływu cieczy [kg/s],

cw – ciepło właściwe cieczy .

Sprawność kolektora może być wówczas obliczona jako:

gdzie:

S – powierzchnia kolektora.

Literatura

Z. Pluta, Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej,

Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.

W. M. Lewandowski, Proekologiczne źródła energii odnawialnej, Wydawnictwa

Naukowo-Techniczne,

Warszawa 2002. E. Klugmann-Radziemska, E. Klugmann, Systemy

słonecznego ogrzewania i zasilania elektrycznego budynków, Wydawnictwo

ekonomia i Środowisko, Białystok 2002.

M. Pociask, Energetyka odnawialna. O korzyściach ze Słońca i fotowoltaice, 31

marca 2006

www.nasa.com

www.imgw.pl

www.energiaodnawialna.com.pl

www.miltonhydro.com

www.imgw.pl

www.rotal.pl

www.elchlod.pl

http://www.domypasywne.pl/indexx.htm

http://greenworld.serwus.pl/Ogniwa/efekt.htm

http://www.pv.pl

http://getsolar.info.pl

http://www.kolektory.com.pl/

http://www.greenspec.co.uk/html/energy/windturbines.html