Solarne podgrzewanie wody
Zdjęcie: NRCan
Idea działania SPW
2
Kolektory słoneczne
Płaskie kolektory słoneczne
absorbują
- promieniowanie
bezpośrednie
oraz
- promieniowanie
rozproszone.
3
Rodzaje cyrkulacji
Pasywna Aktywna
Warianty rozwiązań konstrukcyjnych instalacji solarnych
Układy bezpośredniego
podgrzewania wody
w kolektorach
słonecznych
K  kolektor, Z  zasobnik,
P  pompa cyrkulacyjna,
W  wymiennik,
G  grzałka elektryczna,
GP  grzejnik
przepływowy,
R  regulator,
5
Warianty rozwiązań konstrukcyjnych instalacji solarnych
Układy pośredniego
podgrzewania wody
w kolektorach
słonecznych
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)
6
Elementy przykładowego systemu SPW
Zasilanie z sieci
lub np. panela PV
Kolektory słoneczne
Schemat systemu solarnego
Ciepła woda
dla budynku
podgrzewania wody
Termosyfon Obieg
wody podgrzewanej
Rozdzielacz
Obieg glikolowy
Pompa glikolu
Wstępny
Zasobnik wody
Zasobnik
podgrzewanej
c.w.u.
przez system
solarny
Zimna
Naczynie Wymiennik
woda
wzbiorcze ciepła
zasilająca
Zawór
spustowy
Rysunek: NRCan
Układ jest sterowany regulatorem (nie jest zaznaczony na rys.)
Woda podgrzewana solarnie
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 z
ródeł 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
(ąD �H"1), w słoneczny dzień przy Hb= 800 W/m2 osiąga temperaturę równowagi ok. 343 K
o
(70 C). W celu podwyższenia tej temperatury, czyli ilości zaabsorbowanej energii można:
" Absorber pokryć powłokami selektywnymi, dla których ąD �H"8,5 (Cu pasywowane NaOH i
o
NaCl O2, ta=150�160 C);
" Ograniczyć konwekcyjne straty ciepła, pokrywając absorber dodatkową przezroczystą osłoną
o
(plexi, szkło, szkło hartowane, ta= 110�190 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  [W/(K*m)] materiałów izolacyjnych: polistyren porowaty  0,034, poliuretan
spieniony  0,024, wełna mineralna  0,035, ebonit porowaty  0,03, korek  0,041.
ą współczynnik absorpcji absorbera
� współczynnik emisji absorbera
Typy kolektorów skupiających
a) paraboliczny,
b) rynnowy,
c) rurowy z lustrami,
d) stożkowy,
e) paraboliczny, rynnowy,
f) z soczewkami Fresnela.
10
Kolektory słoneczne płaskie
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.
11
Kolektory słoneczne -efekt pułapki cieplnej
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.
12
Kolektory słoneczne płaskie
Najbardziej rozpowszechnione są płaskie kolektory cieczowe
Do absorbera przymocowane są rurki
Szyba
materiał o niskiej
przez które przepływa ciecz robocza,
solarna
zawartości tlenków
którą najczęściej jest glikol lub
żelaza
ergolit.
Obudowa
szczelna
aluminiowa
Promieniowanie słoneczne jest
najefektywniej wykorzystywane, gdy
kolektor będzie:
" zwrócony w stronę południową,
" pochylony pod kątem 45 stopni 
jest to najlepszy kąt dla kolektorów
Absorber
wykorzystywanych w okresie letnim,
Wężownica
" zainstalowany w miejscu nie
miedz
, mosiądz
lub aluminium,
zacienionym przez drzewa lub
Rura
budynki.
zbiorcza
zapobiega oddawaniu ciepła do
otoczenia ( wełna mineralna lub
Izolacja
poliuretan)
Rysunek: NRCan
Typy kolektorów płaskich
a) z płaskim absorberem e) próżniowy,
b) z absorberem ryflowanym, f) z wypełnieniem,
c) wodny otwarty,
g) powietrzno-wodny,
d) powietrzny,
h) z wypełnieniem komórkowym
14
Kolektory słoneczne płaskie
" Umiarkowana cena
" Wysoka temperatura
Courtesy of DOE/NREL
pracy
Kolektor Słoneczny
SOL S
" Może pracować przy
ciśnieniu sieciowym
wody zasilającej
" Ciężki, odporny na
uszkodzenia
roczna prod. do 550
kWh z m2
15
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
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.
Schemat rury kolektora próżniowego z
bezpośrednim przepływem płynu
solarnego
Kolektory słoneczne próżniowe
" 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.
Schemat rury kolektora próżniowego
typu  heat pipe
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.
Modele dwóch typów kolektora słonecznego:
a)Tradycyjny absorpcyjny, b)Absorpcyjny z pochłanianiem energii promieniowania w objętości płynu
Schemat połączenia pojedynczych paneli
w baterię kolektorów słonecznych
a) układ równoległy,
b) układ mieszany  szeregowo-równoległy
24
SPRAWNOŚĆ KOLEKTORA
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:
Pu
h� =�
Pi
i może być zdefiniowana jako stosunek gęstości mocy użytecznej do gęstości mocy
docierającego promieniowania.
Użyteczną gęstość mocy można opisać następującym wyrażeniem:
Pu =� Pa -� Pt -� Pm
gdzie:
Pa  gęstość mocy przyjętej przez absorber,
Pt - gęstość mocy traconej,
Pm  gęstość mocy magazynowanej w absorberze, przewodach i innych
częściach konstrukcyjnych absorbera.
25
SPRAWNOŚĆ KOLEKTORA
Ponieważ kolektor pokryty jest szklaną płytą, która absorbuje lub odbija
energię słoneczną, gęstość mocy przyjętej przez absorber można obliczyć z
zależności:
Pa =� a� ��t� �� Pi
gdzie:
Pi  gęstość mocy docierającego do kolektora promieniowania,
ą  współczynnik absorpcji absorbera,
�  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:
Pt =� k(�Ta -�Totocz)�
gdzie:
k  współczynnik transmisji ciepła.
26
SPRAWNOŚĆ KOLEKTORA
Po podstawieniu odpowiednich wyrażeń do wzoru na moc użyteczną,
gęstość mocy wynosi:
Pu =� a� ��t� �� Pi -� k(�Ta -�Totocz)�-� Pm
Ze względu na trudności z wyznaczeniem temperatury absorbera Ta, w
praktyce do wzoru podstawia się średnią temperaturę cieczy
wyznaczoną jako :
Twl +�Twy
Tasr =�
gdzie:
2
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.
27
SPRAWNOŚĆ KOLEKTORA
Sprawność kolektora można ostatecznie opisać jako:
ć� �� �� ł� �� ł�
P a���t���P -� k(�T -� T )� k(�T -� T )�
u i a otocz a otocz
�� ��
h� =� f =� f =� f
ę� ś� ę�a���t� -� ś�
�� ��
P P P
Ł� i ł� �� i �� �� i ��
W praktyce w obliczeniach moc użyteczną  oddaną przez kolektor
do wymiennika ciepła można policzyć z zależności:
P =� m��c (�T -� T )�
u w wy wl
gdzie:
m  natężenie przepływu cieczy [kg/s],
cw  ciepło właściwe cieczy .
Sprawność kolektora może być wówczas obliczona jako:
(�
m��cw Twy -�Twl )�
P
h� =� =�
S �� Pi S �� Pi
gdzie:
S  powierzchnia kolektora.
28
Literatura
Z. Pluta, Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej,
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.
W. M. Lewandowski, Proekologiczne z
ródła 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
http://www.pv.pl
www.miltonhydro.com
http://getsolar.info.pl
www.imgw.pl
www.rotal.pl
http://www.kolektory.com.pl/
www.elchlod.pl
http://www.domypasywne.pl/indexx.htm
http://greenworld.serwus.pl/Ogniwa/efekt.htm
http://www.greenspec.co.uk/html/energy/windturbines.html