Sprawozdanie z ćwiczenia nr 3 „Kolektor słoneczny”

1. Wstęp teoretyczny

Kolektory słoneczne to urządzenia, które służą do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło. Energia słoneczna, która dociera do kolektora jest zamieniana na energię cieplną nośnika ciepła, którym może być ciecz (glikol, woda) lub gaz (np. powietrze).

Uwarunkowania do stosowania kolektorów w Polsce:

Średnia moc promieniowania słonecznego (nasłonecznienie) w Polsce waha się od 900 do 1100 kWh/(m² ∙ rok), przy czym zależy ona od rejonu. Jest to wartość zbliżona do wartości występujących na terenie Niemiec, północnej Francji, Południowej Anglii, większa niż w Danii, Szwecji i Norwegii Na załączonej mapce zaznaczone jest nasłonecznienie na obszarze Polski. Największy zysk z kolektorów można uzyskać w okolicach Lublina, najmniejszy w miejscach zaznaczonych na jasno. Różnice te jednak nie są duże. Najważniejszym czynnikiem, który decyduje o ilości dostarczanej energii jest pogoda. Jeśli występuje pełne zachmurzenie promieniowanie ma moc poniżej 100 W/m² i pochodzi tylko z promieniowania rozproszonego, w przeciwieństwie do sytuacji , kiedy niebo jest bezchmurne i promieniowanie całkowite osiąga moc nawet 1050 W/m². Usłonecznienie (dla Polski 1600 h) , które jest sumą godzin bezchmurnych w porze dziennej dla danego obszaru w ciągu roku informuje o tym przez jak długi czas można liczyć na bezchmurne niebo na danym obszarze i jest ważną informacją przy określaniu opłacalności kolektorów.

W naszym klimacie największe zyski ciepła uzyskiwanego z energii promieniowania słonecznego istnieją w okresie wiosenno-letnim (kiedy nie ogrzewamy domów). Kolektory wykorzystuje się wtedy do dogrzewania wody użytkowej, a nie jak w okresach grzewczych, gdzie wspomagają one także pracę systemu grzewczego (nie stanowią one głównego źródła ciepła ze względu na przewagę dni pochmurnych).

Najczęściej stosowanym typem kolektorów są kolektory płaskie, które zawdzięczają nazwę swojej budowie – mają one kształt płaskiej płyty. Są zbudowane z szyby solarnej, która oddziela wnętrze kolektora i chroni go; izolowanej obudowy, której zadaniem jest minimalizacja strat ciepła; płaskiego absorbera, który jest głównym elementem i jak sama nazwa wskazuje absorbuje ciepło oraz wymiennika ciepła, w którym znajdują się rury wypełnione czynnikiem roboczym. Według danych z lat 2011 – 2012 sprzedaż poszczególnych typów kolektorów w Polsce wyniosła odpowiednio dla kolektorów płaskich 216 tys. a dla kolektorów próżniowych ok 85 tys. Kolektory próżniowe są zbudowane z przewodów ciepłowniczych i absorbera, które znajdują się w rurach próżniowych. Stanowią one tylko 28% urządzeń na rynku.

Największa instalacja kolektorowa w Polsce znajduje się w Częstochowie w Wojewódzkim Szpitalu Specjalistycznym im. Najświętszej Maryi Panny. Powierzchnia 598 kolektorów słonecznych Vitosol 100 (2,5m² - powierzchnia absorbera) wynosi blisko 1500 m². Konstrukcje zostały rozmieszczone na trzech polach kolektorów, bezpośrednio przy gruncie, częściowo zaś na dachach budynków. Całkowita wydajność wynosi maksymalnie około 1000kW. Firma Viessmann która wyprodukowała kolektory użyte do tej instalacji łącznie wyprodukowała urządzenia tego typu o łącznej powierzchni przekraczającej 2 miliony m². Łączną moc wyprodukowanych kolektorów można szacować na 1,400 MW.

1. Opis laboratorium

W ćwiczeniu używano kolektora płaskiego z czynnikiem roboczym w postaci wody. Lampę halogenową ustawiano w różnych w 3 zadanych odległościach. W celu usprawnienia procesu wymiany ciepła do zbiornika z wymiennikiem ciepła co jakiś czas wrzucano kostki lodu. Za pomocą rotametru ustawiono strumień objętości równy 100cm³/min. Co dwie minuty odczytywano z termopar 1 i 2 temperatury wody na wejściu i wyjściu kolektora.

1 – lampa halogenowa
2 – kolektor
3 – termopara 1 (temp. wyjściowa)
4 – zawór regulacyjny
5 – rotametr
6 – pompa
7 – wymiennik ciepła
8 – termopara 2 (temp. wejściowa)
Lx - regulowana odległość lampy od kolektora

1. Dane pomiarowe

Tabela 1. Dane pomiarowe

L1	cm	80,0	L2	cm	70,0
t	Twej	Twyj	t	Twej	Twyj
min	^◦C	^◦C	min	^◦C	^◦C
0,0	19,6	22,5	0,0	20,2	29,4
2,0	19,8	23,8	2,0	20,5	29,6
4,0	20,0	24,9	4,0	20,4	30,0
6,0	20,1	25,9	6,0	20,8	30,4
8,0	19,7	26,9	8,0	20,8	30,9
10,0	20,1	27,5	L3	cm	110,0
12,0	20,2	28,2	t	Twej	Twyj
14,0	20,0	28,7	min	^◦C	^◦C
16,0	19,9	28,9	0,0	21,1	30,0
18,0	19,6	29,5	2,0	21,4	29,6
20,0	19,6	29,8	4,0	21,0	29,0
22,0	19,8	30,2	6,0	21,0	28,5
24,0	19,9	30,5	8,0	21,1	28,2

Tabela 2. Dane z wymiarami potrzebnymi do wykonania obliczeń.

$$\dot{V}$$	cw	I0	ρ1	A	L0
$$\frac{\text{cm}^{3}}{\min}$$	$$\frac{J}{\text{kg} \bullet K}$$	$$\frac{W}{m^{2}}$$	$$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$$	m^2	cm
100	4190,00	1800	998,23	0,12	70

1. Tabele wynikowe

Tabela 3. Dane wynikowe dla średnich temperatur przy danej odległości lamp od kolektora.

Lx	Twej średnie	Twyj średnie	$$\dot{m}$$	Pc	Ix	Pdost	η
cm	^◦C	^◦C	kg/s	W	W/m2	W	-
80	19,9	27,5	1, 66 • 10^−3	53,09	1378,13	165,38	0,32
70	20,5	30,1	1, 66 • 10^−3	66,35	1800,00	216,00	0,31
110	21,1	29,1	1, 66 • 10^−3	55,34	728,93	87,47	0,63

Tabela 4. Dane wynikowe dla poszczególnych temperatur przy danej odległości lamp od kolektora.

Lx	Twej	Twyj	$$\dot{m}$$	Pc	Ix	Pdost	η
cm	^◦C	^◦C	kg/s	W	W/m2	W	-
80	19,6	22,5	1, 66 • 10^−3	20,22	1378,13	165,38	0,12
	19,8	23,8	1, 66 • 10^−3	27,88	1378,13	165,38	0,17
	20,0	24,9	1, 66 • 10^−3	34,16	1378,13	165,38	0,21
	20,1	25,9	1, 66 • 10^−3	40,43	1378,13	165,38	0,24
	19,7	26,9	1, 66 • 10^−3	50,19	1378,13	165,38	0,30
	20,1	27,5	1, 66 • 10^−3	51,59	1378,13	165,38	0,31
	20,2	28,2	1, 66 • 10^−3	55,77	1378,13	165,38	0,34
	20,0	28,7	1, 66 • 10^−3	60,65	1378,13	165,38	0,37
	19,9	28,9	1, 66 • 10^−3	62,74	1378,13	165,38	0,38
	19,6	29,5	1, 66 • 10^−3	69,01	1378,13	165,38	0,42
	19,6	29,8	1, 66 • 10^−3	71,10	1378,13	165,38	0,43
	19,8	30,2	1, 66 • 10^−3	72,50	1378,13	165,38	0,44
	19,9	30,5	1, 66 • 10^−3	73,89	1378,13	165,38	0,45
Lx	Twej	Twyj	$$\dot{m}$$	Pc	Ix	Pdost	η
cm	^◦C	^◦C	kg/s	W	W/m2	W	-
70	20,2	29,4	1, 66 • 10^−3	64,13	1800,00	216,00	0,30
	20,5	29,6	1, 66 • 10^−3	63,44	1800,00	216,00	0,29
	20,4	30,0	1, 66 • 10^−3	66,92	1800,00	216,00	0,31
	20,8	30,4	1, 66 • 10^−3	66,92	1800,00	216,00	0,31
	20,8	30,9	1, 66 • 10^−3	70,41	1800,00	216,00	0,33
Lx	Twej	Twyj	$$\dot{m}$$	Pc	Ix	Pdost	η
cm	^◦C	^◦C	kg/s	W	W/m2	W	-
110	21,1	30,0	1, 66 • 10^−3	62,04	728,93	87,47	0,71
	21,4	29,6	1, 66 • 10^−3	57,16	728,93	87,47	0,65
	21,0	29,0	1, 66 • 10^−3	55,77	728,93	87,47	0,64
	21,0	28,5	1, 66 • 10^−3	52,28	728,93	87,47	0,60
	21,1	28,2	1, 66 • 10^−3	49,49	728,93	87,47	0,57

1. Przykładowe obliczenia

• Obliczanie strumienia masy

$$\dot{m} = \rho \bullet \dot{V} = 998,23 \bullet 1,667 \bullet 10^{- 6} = 1,66 \bullet 10^{- 3}\ \frac{\text{kg}}{s}$$

• Obliczanie strumienia ciepła przekazywanego przez wymiennik

$$P_{c} = \dot{m}c_{w}t = \dot{m}c_{w}\left( T_{\text{wyj}} - T_{\text{wej}} \right) = 1,66 \bullet 10^{- 3} \bullet 4190 \bullet \left( 27,5 - 19,9 \right) = 53,09\ W$$

• Obliczanie gęstości mocy promieniowania lampy

$$I_{x} = I_{o}\left( \frac{L_{o}}{L_{x}} \right)^{2} = 1800 \bullet \left( \frac{80}{70} \right)^{2} = 1575,00\ \frac{W}{m^{2}}$$

• Obliczanie mody padającej na kolektor

P_dost = I_x • A = 1575 • 0, 12 = 189 W

• Obliczanie sprawności

$$\eta = \frac{P_{c}}{P_{\text{dost}}} = \frac{53,09}{189} = 0,28$$

1. Wykresy

Wykres 1. Zależność temperatur wejściowych i wyjściowych dla poszczególnych

odległości lampy od kolektora.

Wykres 2. Zależność sprawności kolektora od odległości lamp.

Wykres 3. Zależność sprawności od czasu dla poszczególnych temperatur dla trzech różnych odległości lamp od kolektora.

1. Wnioski
   

Na podstawie wykonanych pomiarów oraz dokonanych następnie obliczeń wykonaliśmy odpowiednie charakterystyki. Pierwsza z nich określa zależność temperatur czynnika
w zależności od czasu. Wykres drugi jest zależnością sprawności kolektora od odległości lamp. Ostatnia charakterystyka mówi nam jak zależy sprawność od czasu dla poszczególnych temperatur dla różnych odległości lamp od kolektora. Czynnikiem krążącym w naszym obiegu była woda destylowana. Ze względu na to, że woda nigdzie nie uchodziła stwierdziliśmy, że był to obieg zamknięty, a użyta pompa powoduje że jest to również obieg wymuszony.

W obliczeniach potrzebna była wartość gęstości wody destylowanej. W związku, iż wielkość ta zależy od różnych warunków, a między innymi od temperatury która ulegała zmianie, obliczyliśmy średnie temperatury dla wszystkich odległości i to dla nich odczytywaliśmy gęstości. Jednak
w związku z bardzo niewielkimi różnicami przyjęliśmy wartość ρ₁=998,23$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$ odczytaną dla temperatury t_w=20^◦C.

Analizując pierwszy wykres zauważamy, iż temperatury wejściowe, niezależnie od odległości lamp, ulegały niewielkim wahaniom. Stabilność ta była spowodowana dodawaniem kawałków lodu
w momencie wzrostu temperatury, co powodowało spadek odczytywanej wielkości. Przy dwóch pierwszych odległościach lamp, czyli dla L=80 cm oraz L=70 cm, temperatura czynnika na wylocie
z kolektora rosła, co jest zgodne z naszymi oczekiwaniami, jako że kolektor powinien ogrzewać czynnik który przez niego przepływa. Przy odległości L=110 cm temperatura na wylocie jednak malała. Uważamy, że jest to spowodowane tym, iż podczas wcześniejszego pomiaru, robionego dla odległości mniejszej o 40 cm, w kolektorze powstał efekt cieplarniany. Ogrzany gaz "krążył" pod szybą oddając ciepło przepływającemu czynnikowi, jednak odległość lamp była zbyt duża, żeby temperatura gazu,
a zarazem czynnika rosła lub utrzymywała się na stałym poziomie. W celu uzyskania charakterystyki, na której widać by było w jaki sposób, przy tej odległości (L=110cm), temperatura rosłaby od czasu należałoby poczekać odpowiednio długo, aby czynnik "odebrał" całe ciepło zawarte w gazie znajdującym się pod szybą.

Z drugiej charakterystyki odczytujemy, że największą sprawność, dla średnich temperatur, kolektor osiąga przy największej odległości. Uważamy jednak, że nie jest to do końca obiektywna charakterystyka, ponieważ tak jak zostało wcześniej wspomniane temperatura na wylocie malała, więc obliczona sprawność nie była prawdziwa.

W związku z możliwością "zakłamania" wartości sprawności dla ostatniej odległości, sporządziłyśmy trzeci wykres. Widać, że dla odległości L=80 cm, sprawność kolektora znacznie rosła, jednak końcowa część charakterystyki jest dość spłaszczona. Można więc sądzić, iż wraz
z upływającym czasem sprawność ustabilizowałaby się na poziomie η=45-50% lub wzrastała, jednak przyrost ten byłby bardzo znikomy w porównaniu do wcześniejszego. Przy odległości równej L=70 cm, sprawność również wzrasta jednak nie jest przyrost nie jest już tak duży jak dla wcześniejszej. Może być to spowodowane faktem, iż pierwszy pomiar był robiony dla kolektora nieużywanego wcześniej przez jakiś czas. Gaz krążący pod szybą był ostudzony, a promieniowanie lamp w łatwy sposób podnosiło jego temperaturę, przez co czynnik szybko się ogrzewał. Przy drugim pomiarze, lampy zbliżono, więc temperatura czynnika nadal rosła, jednak w związku z niedużą różnicą odległości (10 cm) jej przyrost nie był duży, co odbiło się również na sprawności, która bardzo powoli rosła. Przy pomiarze trzecim widać, że sprawność spada wraz z upływającym czasem. Oznacza to, że nasze domysły o nieprawidłowej wartości sprawności na drugim wykresie są poprawne. Trudno ocenić jaką sprawność osiągnąłby kolektor przy odległości L=110 cm. Uważamy, że kolektor osiągnąłby największą sprawność przy najmniejszej odległości, jednak z powodu niewykonania pomiarów dla tych samych czasów, oraz nieodczekania odpowiednich chwili na ochłodzenie gazu wewnątrz kolektora, nie możemy być tego pewni, ani nanieść tego na wykres.

Reasumując. Zakładając kolektor w domu, należy pamiętać o dobrym miejscu montażu.
Z przeprowadzonego ćwiczenia wynika, że należy ustawić go w odległości jak najmniejszej od słońca, czyli np. na dachu. Należy pamięta również o odpowiednim ustawieniu względem stron świata czy kącie ustawienia kolektora. Najbardziej optymalny kąt ustawienia to taki, w którym promienie padają prostopadle do powierzchni kolektora, co zapobiega niepotrzebnym odbiciom.