1 WSTĘP TEORETYCZNY

Kolektory słoneczne służą do konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło.

1. Podział:

Kolektory można podzielić na:

• płaskie

• gazowe

• cieczowe

• dwufazowe

• rurowe (nazywane też próżniowymi, w których rolę izolacji spełniają próżniowe rury)

• skupiające (prawie zawsze cieczowe)

• specjalne (np. okno termiczne, izolacja transparentna).

2. Budowa kolektora płaskiego:

Kolektor płaski składa się z:

• przezroczystego pokrycia (zapewniającego efekt cieplarniany);

• absorbera (najczęściej blachy miedzianej pokrytej powłoką selektywną);

• wymiennika ciepła (najczęściej rurki miedziane przylutowane do absorbera);

• izolacji.

Rys 1. Schemat kolektora słonecznego (przekrój).

Opis:
1 - płyta szklana
2 - rurki z przepływającą cieczą (np. glikol)
3 - płyta absorbera
4 - izolacja termiczna
5 - obudowa kolektora

3. Zasada działania:

Kolektory słoneczne służą do odbioru energii cieplnej promieniowania słonecznego i przekazywania jej poprzez tzw. czynnik grzewczy i wymiennik ciepła znajdujący się w zbiorniku (bojlerze) do ogrzania wody użytkowej. Kolektory mogą być używane przez cały rok, gdyż nawet, jeżeli podgrzeją wodę tylko o 5°C (np. w styczniu bądź lutym) to i tak ich stosowanie jest opłacalne. W Polsce wartość nasłonecznienia wynosi w okresie od kwietnia do października ok. 900-1100 kWh/m², co przy właściwym doborze ilości zainstalowanych kolektorów słonecznych zabezpiecza użytkowników w 80-90% niezbędnej ciepłej wody w okresie marzec-październik, a średnio w roku do 65%. Oznacza to, że przez 240 dni w roku woda może być ogrzana energią słoneczną do temperatury ok. 50°C.

4. Kolektory skupiające:

W kolektorach skupiających promienie słoneczne są odbijane w kierunku absorbera, będącego jednocześnie wymiennikiem ciepła. Jednak celność zwierciadeł jest uzależniona od kierunku padania promieni słonecznych, co w praktyce oznacza, że aby utrzymać wysoką sprawność przez cały dzień, kolektor musi poruszać się zgodnie z pozornym ruchem słońca, co znacznie zwiększa koszty budowy i utrzymania takiego kolektora, ale zapewnia większą sprawność instalacji.

prawność kolektora [edytuj]

5. Zależność pomiędzy zredukowaną różnicą temperatur a sprawnością:

Sprawność kolektora to stosunek energii odebranej przez czynnik roboczy do ilości promieniowania docierającego do kolektora. Sprawność kolektora spada wraz ze wzrostem różnicy temperatur pomiędzy czynnikiem roboczym a otoczeniem.

Poniższy wykres przedstawia zależność pomiędzy zredukowaną różnicą temperatur (różnica średniej temperatury czynnika i temperatury otoczenia podzielona przez gęstością promieniowania słonecznego) a sprawnością kolektora.

6. Popularne zastosowania:

Kolektory słoneczne najpowszechniej wykorzystywane są do:

• podgrzewania wody użytkowej,

• podgrzewanie wody basenowej,

• wspomagania centralnego ogrzewania.

Do celów tych służą cieczowe kolektory płaskie i próżniowe. Schemat prostej instalacji do podgrzewania ciepłej wody użytkowej zawiera:

• kolektory słoneczne (w domkach jednorodzinnych od dwóch do czterech),

• regulator (uruchamiający pompę gdy zaistnieje odpowiednia różnica temperatur pomiędzy wyjściem z kolektora a zbiornikiem),

• pompę,

• naczynie przeponowe (kompensujące rozszerzalność temperaturową czynnika),

• zbiornik magazynujący ciepłą wodę użytkową, z dwoma wężownicami (dolna zasilana • czynnikiem z kolektorów słonecznych, górna innym źródłem ciepła),

• inne źródło ciepła (kocioł, pompa ciepła, kominek z płaszczem wodnym)

Rys 2.Schemat prostej instalacji do podgrzewania cwu.

7. Oszczędności płynące z wykorzystania kolektorów słonecznych:
Z posiadania kolektora słonecznego płyną podwójne korzyści: proekologiczne i ekonomiczne. Najbardziej interesującym dla potencjalnego inwestora tematem jest szybkość zwrotu kosztów poniesionych na instalację solarną. Z różnego rodzaju analiz ekonomicznych wynika, iż średni czas zwrotu kosztów, o których mowa powyżej to 5 lat, jednakże mając na względzie stale rosnące ceny energii czas amortyzacji takiego urządzenia może być znacznie krótszy. Jest rzeczą charakterystyczną, że w przypadku obiektów o dużym zużyciu energii, głównie ciepłej wody użytkowej (hotele, pensjonaty, małe ciepłownie osiedlowe, zakłady produkcyjne, masarnie, sauny) stopa amortyzacji może wynieść nawet 50%.
8. Korzyści z wykorzystania kolektorów słonecznych:

Ujarzmiając energię słoneczną chronimy bezsprzecznie nie tylko nasze środowisko naturalne, ale co najważniejsze także i własną kieszeń.
Korzystanie z instalacji solarnej w to:
- oszczędność tradycyjnych nośników energii, dla potrzeb ciepłej wody użytkowej rzędu 60-80% w skali roku,
- oszczędność tychże samych nośników energii, dla potrzeb uzyskania centralnego ogrzewania w sezonie grzewczym rzędu 20% rocznie,
- oszczędność przy podgrzewaniu wody w otwartym basenie kąpielowym rzędu 90% w okresie letnim, powodującym wydłużenie okresu użytkowania basenu o ok. 4 miesiące,
- możliwość współpracy instalacji solarnej z istniejącym systemem centralnego ogrzewania,
- możliwość zastosowania rozwiązań umożliwiających blisko 100-procentowe przetworzenie energii słonecznej poprzez dodatkowe sprzężenie kolektora słonecznego z pompą ciepła,
- nie wyemitowanie do atmosfery w skali roku ok. 750 kg dwutlenku węgla oraz 15 kg związków siarki,
- skuteczne zabezpieczenie się przed następstwami coraz wyższych cen pozostałych nośników energii, mających udział w kosztach eksploatacji naszego domu oraz przed nieplanowanymi przerwami w ich dostarczaniu.

2 CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zbadanie jak rodzaj powierzchni wpływa na sposób nagrzewania się kolektora. Kolektor wykonany jest z miedzi. Układ pomiarowy złożony jest ze źródła promieniowania podczerwonego i miedzianej próbki z wymienną powierzchnią zewnętrzną o zmienianej morfologii. Powierzchnia pokryta jest farbą o współczynniku emisji ε = 0,83. Wewnątrz elementu umieszczono termoparę.

Próbka miedziana o wymiarach 40x80x10 mm jest umieszczona w obudowie wykonanej ze styropianu celem odizolowania od otoczenia, i od strony źródła promieniowania osłonięta warstwa folii, aby zredukować do minimum konwekcyjny strumień strat ciepła. Badanie wykonuje się w temperaturze pokojowej.

Dla takiego układu pomiarowego można zapisać następujący bilans ciepła:

Podstawiając do równania wyjściowego otrzymuję:

Stałą całkowania wyznacza się z następującego warunku brzegowego:

T=0, T=T_p:

Zatem:

gdzie:

Dla wyznaczonej kamerą termowizyjną emisyjności farby pokrywającej próbkę równej 0,95 i przy mocy źródła q₀[W/m² ] porównano wyniki eksperymentu dla powierzchni gładkiej z obliczeniami.

Do obliczeń przyjęto następujące wielkości wyjściowe:

c- ciepło właściwe miedzi, c= 385 J/(kg*K)

ς - gęstość miedzi, ς= 8933 kg/m³

A- powierzchnia ogrzewana, A= 0,0032 m²

T_p- temperatura początkowa

T_k- temperatura końcowa

σ- stała Stefana- Boltzmana, σ= 5,67*10^-8 W/(m²K⁴)

m- masa próbki, m= 0,2858 kg

ε= 0.85; 0.90; 0.95

3 WYKONANIE ĆWICZENIA:

Tabela nr 1. Dane eksperymentalne

Temp. T [^0C]	Czas t [sek]
18,32	0
18,53	10
18,69	20
18,85	30
19,01	40
…….	…….
58,82	3750
58,87	3760
58,87	3770
58,92	3780
58,92	3790

Tabela nr 2. Dane z obliczeń teoretycznych

Temp. T [^0C]	Czas t [sek]
19	44,774
20	111,192
21	178,313
22	246,160
23	314,754
…….	…….
56	3261,5366
57	3385,6508
58	3513,3341
59	3644,8331
60	3780,4211

4 WNIOSKI:

Na podstawie powyższych wykresów można stwierdzić, że badana próbka ogrzewa się szybciej niż wynikałoby to z rozważań teoretycznych. Wynika z tego, że są dodatkowe zyski ciepła od otoczenia (nagrzany styropian i powietrze między stanowiskiem a źródłem).

Obydwie krzywe dążą do tej samej wartości temperatury maksymalnej.

1

---