Politechnika

Białostocka

Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska

Katedra Ciepłownictwa

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych

Temat ćwiczenia:

Wyznaczenie

charakterystyk

cieczowego

kolektora słonecznego

Ć

wiczenie nr

11

Laboratorium z przedmiotu:

„Alternatywne źródła energii”

Kod:

Ś

C3066

Opracowała:

mgr inż. Anna Demianiuk

maj 2015

Politechnika Białostocka

Ć

wiczenie nr 11

Katedra Ciepłownictwa

Wyznaczanie sprawności cieczowego

kolektora słonecznego

2

1

Cel ćwiczenia

Celem tego ćwiczenia jest ustalenie zależności, jaka występuje między wartością przepływu

w obwodzie pierwotnym i sprawnością kolektora słonecznego.

2

Podstawy teoretyczne

2.1

Podstawowe wielkości i jednostki

Symbol

Znaczenie

Jednostka
podstawowa

p

Ciśnienie

Pa

g

przyspieszenie ziemskie

m/s

2

ρ

gęstość

kg/m

3

Q

przepływ objętościowy

m

3

/s

ṁ

przepływ masowy

kg/s

Q

u

moc użyteczna

kW

c

p

ciepło właściwe

kJ/kgK

A

powierzchnia czynna kolektora

m

2

E

natężenie promieniowania (w programie – Wr)

W/m

2

2.2

Podział kolektorów słonecznych

Ze względu na uzyskiwany rodzaj energii kolektory można podzielić na te, w których

wykorzystuje się konwersję fototermiczną lub fotoelektryczną, w wyniku których ostatecznie
otrzymuje się, odpowiednio, energię cieplną oraz elektryczną. Wśród kolektorów, których
zadaniem jest konwersja energii promieniowania słonecznego w energię cieplną wyróżnić
można, ze względu na rodzaj czynnika roboczego, powietrzne i cieczowe, do których należą:

• kolektory płaskie
• kolektory próżniowe (płaskie, rurowe)
• kolektory magazynujące.

Politechnika Białostocka

Ć

wiczenie nr 11

Katedra Ciepłownictwa

Wyznaczanie sprawności cieczowego

kolektora słonecznego

3

Rys. 1. Uproszczony podział kolektorów słonecznych

2.3

Budowa i zasada działania płaskiego termicznego kolektora wodnego

Typowy płaski kolektor wodny składa się z czterech podstawowych elementów:

Rys. 2. Schemat płaskiego kolektora słonecznego: 1- osłona szklana, 2- obudowa,

3- absorber, 4- przewody z czynnikiem roboczym, 5- izolacja

•

przezroczysta osłona – wykonana ze szkła charakteryzującego się wysoką odpornością na
warunki atmosferyczne i uszkodzenia mechaniczne oraz wysoką przepuszczalnością
promieniowania UV i niskim współczynniku odbicia promieni, dzięki czemu więcej
energii dociera do absorbera.

•

obudowa – rama, najczęściej aluminiowa ze względu na małą masę, w której
umieszczone są pozostałe elementy kolektora wraz z płytami osłonowymi i izolacją
cieplną stosowaną celu zredukowania strat energii

•

układ odbioru ciepła – zintegrowanego z płytą absorbera układu przewodów, najczęściej
miedzianych, w których krąży czynnik roboczy, którym może być woda, ale w przypadku
całorocznego

użytkowania

kolektorów

słonecznych

należy

zastosować

płyn

niezamarzający (np. glikol etylenowy)

•

absorber – płyta pochłaniająca promieniowanie słoneczne stanowiąca zasadniczy element
urządzenia; do konstrukcji tego elementu najczęściej wykorzystywane są miedź,
aluminium, stal lub mosiądz

KOLEKTORY SŁONECZNE

Kolektory

fotowoltaiczne

KONWERSJA

FOTOELEKTRYCZNA

KONWERSJA

FOTOTERMICZNA

Kolektory

próżniowe

Kolektory
płaskie

Kolektory

magazynujące

płaskie

rurowe

CIECZOWE

POWIETRZNE

Politechnika Białostocka

Ć

wiczenie nr 11

Katedra Ciepłownictwa

Wyznaczanie sprawności cieczowego

kolektora słonecznego

4

•

izolacja cieplna – warstwa materiału izolacyjnego, chroniącego absorber i układ odbioru
ciepła przed nadmierną energii. Najczęściej wykonana jest z typowych materiałów
izolacyjnych, które charakteryzują się niskimi współczynnikami przewodności cieplnej,
małą gęstością mającą wpływ na całkowitą masę konstrukcji oraz niewielką
nasiąkliwością.

Promienie ultrafioletowe po przejściu przez szkło ulegają załamaniu. Zmianie ulega

też długość fali. Te dwa zjawiska uniemożliwiają wydostanie się promieniowania na zewnątrz
wywołując efekt cieplarniany, co z kolei powoduje wzrost temperatury wewnątrz kolektora.
Ciepło to odbierane jest następnie przez krążący w przewodach czynnik roboczy. Zjawisko
bezpośredniej zamiany energii promieniowania słonecznego w energię cieplną nosi nazwę
konwersji fototermicznej. Podczas jednokrotnego przepływu, temperatura czynnika rośnie
zwykle o kilka do kilkunastu stopni, a przyrost ten zależy od natężenia promieniowania
słonecznego docierającego do absorbera i prędkości przepływu czynnika roboczego przez
układ odbioru ciepła.

Rys. 3. Całkowite promieniowanie efektywne przy różnych kątach pochylenia płaszczyzny

kolektora w ciągu roku.

Kąt pochylenia kolektora α jest to kąt zawarty między płaszczyzną poziomą

i płaszczyzną kolektora. Największa ilość energii jest odbierana przez kolektor, jeśli
promienie słoneczne padają pod kątem prostym do jego powierzchni. Kąt padania promieni
uzależniony jest jednak od dnia pory roku i pory dnia. W związku z tym, w praktyce,
ustawienie płaszczyzny kolektora należy dobierać tak, aby była skierowana odpowiednio
do pozycji słońca okresu największego promieniowania. Jak zostało udowodnione, kąty
pochylenia α między 30 a 45°są najlepsze w naszej szerokości geograficznej.

Politechnika Białostocka

Ć

wiczenie nr 11

Katedra Ciepłownictwa

Wyznaczanie sprawności cieczowego

kolektora słonecznego

5

3

Metodyka badań

3.1

Budowa stanowiska

Rys. 4. Schemat stanowiska badawczego: 1- wodny kolektor słoneczny, 2- zbiornik

akumulacyjny, 3- jednostka sterująca, 4- komputer

Rys. 5. Schemat stanowiska z termicznym kolektorem słonecznym: 1- wodny kolektor

słoneczny, 2- zbiornik akumulacyjny, 3- panel lamp (symulator solarny), 4 -
zamknięte naczynie wzbiorcze

3.2

Metodyka pomiarów

1)

Ustawić panel lamp równolegle do kolektora.

1

2

3

4

Politechnika Białostocka

Ć

wiczenie nr 11

Katedra Ciepłownictwa

Wyznaczanie sprawności cieczowego

kolektora słonecznego

6

2)

Zamknąć zawór V-8.

3)

Uruchomić wszystkie lampy (lub tylko jedną linię; 0,4 lub 0,6 kW/m

2

).

4)

Ustawić w obiegu wtórnym przepływ o wartości 1 l/min.

5)

Po osiągnięciu przez czujnik temperatury czynnika roboczego na wejściu do

zbiornika (ST-1) temperatury 50˚C (lub 40˚C przy pojedynczej linii świateł) otworzyć
zawór V-8

6)

Włączyć pompę obiegową.

7)

Za

pomocą

zaworu

VR-1

ustawić

pierwszy

przepływ

bezpośrednio

na przepływomierzu (w przypadku przepływów mniejszych niż 0,2 l/min należy użyć
rotametru C-1).

8)

Po ustabilizowaniu się temperatur zapisać wartości temperatur czujników ST-1

i ST-2 oraz ST-6 i ST-7.

9)

Powtórzyć ćwiczenie dla pozostałych przepływów podanych przez prowadzącego.

Politechnika Białostocka

Ć

wiczenie nr 11

Katedra Ciepłownictwa

Wyznaczanie sprawności cieczowego

kolektora słonecznego

7

Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów

Q

˚1

(SC-1)

T1

(ST-1)

T2

(ST-2)

Q

˚2

(SC-2)

T6

(ST-6)

T7

(ST-7)

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

Imię i nazwisko studenta:


Data wykonania ćwiczenia:

Politechnika Białostocka

Ć

wiczenie nr 11

Katedra Ciepłownictwa

Wyznaczanie sprawności cieczowego

kolektora słonecznego

8

3.3

Analiza wyników

1)

Sporządzić wykres zależności T1 = f(Q

˚1

) i T2 = f(Q

˚1

) (w jednym układzie

współrzędnych)

2)

Sporządzić wykres zależności T7 = f(Q

˚1

)

3)

Obliczyć sprawność cieplną kolektora dla poszczególnych przepływów w obiegu

pierwotnym korzystając z poniższych zależności:

η =

⋅

u

Q

A E

(1)

gdzie:
A – powierzchnia czynna kolektora [m

2

]

E – natężenie promieniowania [kW/m

2

]

Q

u

– moc użyteczna (ciepło użyteczne) [kW]:

(

)

=

⋅ ⋅

−

&

u

wody

p

Q

m

c

T

T

1

2

(2)

gdzie:
m

wody

– przepływ masowy czynnika roboczego przez kolektor [kg/s]

c

p

– ciepło właściwe czynnika roboczego [kJ/kgK]

T

2

–temperatura czynnika roboczego na wejściu do kolektora [˚C]

T

1

– temperatura czynnika roboczego na wyjściu z kolektora [˚C]

4)

Sformułować wnioski.

4

Sprawozdanie

Sprawozdanie powinno zawierać następujące informacje:

1)

Skład osobowy grupy oraz podpisy, nazwę kierunku studiów, laboratorium i tytuł

ć

wiczenia, datę wykonania ćwiczenia,

2)

Określenie poszczególnych zadań wraz z ich rozwiązaniem:

a)

cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego,

b)

niezbędne związki teoretyczne,

c)

opis rzeczywistego stanowiska badawczego,

d)

przebieg realizacji eksperymentu,

e)

wykonanie potrzebnych przeliczeń i zestawień,

f)

wykresy i charakterystyki (sporządzone na papierze milimetrowym),

g)

zestawienie i analiza wyników badań.

3)

Analiza dokładności pomiarów.

4)

Posumowanie uzyskanych wyników w postaci syntetycznych wniosków.

5)

Zestawienie załączników (protokołów, taśm rejestracyjnych, itp.).

5

Wymagania BHP

Do wykonania ćwiczeń dopuszczeni są studenci, którzy zostali przeszkoleni

(na pierwszych zajęciach) w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących
w laboratorium.

Politechnika Białostocka

Ć

wiczenie nr 11

Katedra Ciepłownictwa

Wyznaczanie sprawności cieczowego

kolektora słonecznego

9

W trakcie wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przestrzeganie przepisów

porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego.

Wszystkie czynności związane z uruchamianiem urządzeń elektrycznych należy

wykonywać za zgodą prowadzącego zajęcia.

Zabrania się manipulowania przy wszystkich urządzeniach i przewodach elektrycznych

bez polecenia prowadzącego.

6

Literatura uzupełniająca

1.

Chwieduk D.: Energetyka słoneczna budynku, ARKADY, Warszawa 2011

2.

Gronowicz J.: Niekonwencjonalne źródła energii. Radom, 2011

3.

Aldo Vieira da Rosa: Fundamentals of renewable energy processes. Amsterdam, 2009

4.

Foit H.: Zastosowanie odnawialnych źródeł ciepła w ogrzewnictwie i wentylacji.
Gliwice, 2011

5.

Pluta Z.: „Słoneczne instalacje energetyczne”, Oficyna wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, warszawa 2007

6.

L. Kołodziejczyk, S. Mańkowski, M. Rubik: „Pomiary w inżynierii sanitarnej”, Arkady
Warszawa 1980