Post on 11-Jan-2017
Projektowanie
instalacji solarnych
Sam wysokowartościowy
kolektor słoneczny nie
zagwarantuje jeszcze
optymalnej eksploatacji całej
instalacji. Istotne jest tu raczej
kompletne rozwiązanie
systemowe
Prawidłowo zaprojektowane instalacje kolektorów słonecznych z wzajemnie
zharmonizowanymi komponentami systemowymi powinny pokryć ok. 50 do 60%
całorocznego zapotrzebowania energii na podgrzew c.w.u. w domu jedno-lub
dwurodzinnym.
Kolektor
Parametry geometryczne
kolektora
Dane techniczne kolektora
Temperatura postojowa - Jest to temperatura występująca
w najcieplejszym miejscu kolektora, jeżeli nie zachodzi
odbiór ciepła, przy 1000W globalnego natężenia
promieniowania.
Potwierdzenie zgodności
• Kolektory spełniają wymagania symbolu ochrony
środowiska „Błękitny Anioł” wg RAL UZ 73.
• Sprawdzony zgodnie ze znakiem Solar-KEYMARK.
• Oznaczenie CE zgodnie z istniejącymi dyrektywami UE
Wpływ orientacji i pochylenia
kolektora na uzysk energii
Ustawienie kolektora w przestrzeni
Wpływ orientacji i pochylenia kolektora
na uzysk energii cd. Kąt nachylenia α
Kąt nachylenia a jest kątem między poziomem a
powierzchnią kolektora słonecznego. Przy montażu na
dachu spadzistym kąt nachylenia narzucony jest przez
nachylenie połaci dachu. Największą ilość energii
absorber może wchłonąć wtedy, gdy płaszczyzna
kolektora jest prostopadła do kierunku promieniowania
słonecznego.
Azymut
Azymut określa odchylenie płaszczyzny kolektora od
kierunku południowego; przy płaszczyźnie kolektora
zorientowanej na południe azymut = 0°. Ponieważ
napromieniowanie jest najintensywniejsze w porze
południowej, kolektor winien być zorientowany możliwie
na południe. Dobre wyniki uzyskuje się jednak także przy
odchyłkach azymutu do 45° na wschód lub zachód.
Konieczność większych odchyleń można skompensować
niewielkim zwiększeniem powierzchni kolektorów.
Kąt padania promieni słonecznych w zależności od pory roku
a) Kąt padania promieni słonecznych w zależności od szerokości geograficznej
b) Kąt padania promieni słonecznych uwzględniający szerokość geograficzną w
zależności od pory roku
Zysk ciepła dla różnych kątów ustawienia kolektora
w zależności od pory roku
Wpływ orientacji i pochylenia kolektora
na uzysk energii Instalacja kolektorów słonecznych w Polsce, zorientowana w kierunku południowym, z
nachyleniem ok. 30-40° do poziomu, zapewnia w przekroju rocznym najwyższe uzyski
energii. Ale nawet przy wyraźnych odstępstwach od takiego ustawienia (południowy
wschód do południowego zachodu, nachylenie 25 – 70°) zmniejszenie napromienienia
jest nieznaczne dla możliwości zastosowania kolektorów słonecznych.
Wpływ orientacji i pochylenia kolektora
na uzysk energii cd.
Bardziej płaskie położenie jest korzystne, jeśli powierzchni kolektora nie można
zorientować na południe. Tak więc instalacja kolektorów słonecznych z nachyleniem
kolektorów 30° nawet przy orientacji 45° na wschód lub zachód od południa,
zapewnia jeszcze uzysk równy prawie 95% uzysku optymalnego. Nawet przy
orientacji wschodniej lub zachodniej uzysk sięga do 85%, jeśli nachylenie dachu
mieści się w granicach 25 – 40°.
Korzyścią z bardziej stromego ustawienia powierzchni kolektora jest bardziej
równomierne zaopatrzenie w energię w skali roku. Należy jednak unikać kątów
nachylenia mniejszych od 20°, gdyż wtedy nasila się zanieczyszczenie pokrycia
kolektora.
Wpływ orientacji i
pochylenia kolektora
na uzysk energii cd.
Uzysk energii zmienia się w zależności od
miejsca i sposobu montażu kolektorów
słonecznych. Dach pochyły po stronie
południowej zapewnia największy uzysk
energii. Dach po stronie wschodniej lub
zachodniej zapewnia już tylko 80% tego
uzysku.
W zależności od zakresu stosowania
instalacji solarnej zaleca się następujące
optymalne kąty nachylenia:
■ Instalacja solarna do podgrzewu wody
użytkowej od 30 do 45° - Taki mały kąt
nachylenia uwzględnia wysokie położenie
słońca w lecie.
■ Instalacja solarna wspomagająca
ogrzewanie pomieszczeń od 45 do 60° - Przy
uwzględnieniu niskiego położenia słońca w
okresach przejściowych i w zimie. Poprzez
świadomy wybór dużego kąta nachylenia w
lecie uzyskuje się skrócenie okresów
stagnacji.
Współczynniki
korekcyjne
Wpływ orientacji i pochylenia kolektora
na uzysk energii cd. W celu uzyskania tej samej wydajności co z kierunku południowego, powierzchnię
płaskiego kolektora słonecznego należy powiększyć o odpowiednie współczynniki
korekcyjne. Z analizy rysunku wynika, że odchylenie kolektora od kierunku
południowego w kierunku zachodnim jest korzystniejsze niż odchylenie w kierunku
wschodnim.
Współczynniki korekcyjne
dla płaskich kolektorów
słonecznych w zależności
od kierunku świata.
Wpływ orientacji i pochylenia kolektora
na uzysk energii cd. Polska znajduje się w szerokości geograficznej równej około 50°. Kąt padania promieni
słonecznych dla tej szerokości zmienia się o ok. +/- 23°, dlatego kąt nachylenia
kolektora słonecznego powinien zmieniać się w granicach od 27 do 73°. I tak, dla okresu
jesienno-zimowego kąt nachylenia kolektora powinien być wyższy (ok. 60°) niż w
okresie wiosenno-letnim (ok. 30°), natomiast optymalny kąt w okresie jego całorocznej
eksploatacji powinien wynosić ok. 40°. W przypadku innej wartości należy zwiększyć
powierzchnię kolektora płaskiego o odpowiednie współczynniki korekcyjne.
Sprawność kolektorów
Sprawność
kolektorów Współczynnik sprawności
kolektora określa, jaka część
promieniowania słonecznego
padająca na powierzchnię czynną
absorbera lub inną powierzchnię
odniesienia zamieniana jest na
użytkową moc cieplną.
Współczynnik sprawności zależy od
stanu roboczego kolektora. Część
promieniowania słonecznego
docierającego do kolektorów jest
„tracona” na skutek odbić i
absorpcji. Sprawność optyczna η0
uwzględnia te straty.
Sumę promieniowania bezpośredniego i rozproszonego nazywa się
promieniowaniem całkowitym Eg. W optymalnych warunkach (bezchmurne
niebo, przejrzyste powietrze, pora południowa) wynosi ono maksymalnie do ok.
1000 W/m2.
Przede wszystkim zależy od różnicy temperatur powierzchni kolektora i otoczenia
Sprawność kolektorów cd.
Kolektory przy nagrzewaniu się oddają ciepło otoczeniu przez
przenikanie cieplne, promieniowanie i konwekcję (ruch powietrza). Straty te
uwzględniają współczynniki strat k1 i k2. Zależne są one od różnicy temperatur
pomiędzy absorberem a otoczeniem.
Charakterystyki
współczynnika sprawności
Charakterystyki współczynnika sprawności pokazują
optymalne zakresy zastosowania kolektorów. Im bardziej
rośnie temperatura kolektora, tym większe są straty ciepła i
tym mniejszy jest współczynnik sprawności. Na podstawie
charakterystyk współczynnika sprawności można odczytać
typowe obszary robocze kolektora. Z tego wynikają
możliwości zastosowania kolektora. W trakcie nagrzewania
się kolektor oddaje ciepło do otoczenia przez zachodzące
procesy przewodzenia ciepła, przenikania cieplnego i
konwekcji. Straty te uwzględnione są poprzez współczynniki
strat ciepła k1 i k2 .
Charakterystyki współczynnika sprawności pokazują optymalne zakresy zastosowania kolektorów.
Im bardziej rośnie temperatura kolektora, tym większe są straty ciepła i tym mniejszy jest
współczynnik sprawności. Na podstawie charakterystyk współczynnika sprawności można
odczytać typowe obszary robocze kolektora. Z tego wynikają możliwości zastosowania kolektora.
Typowe obszary robocze:
1 Instalacja solarna ciepłej wody użytkowej przy niskim stopniu pokrycia zapotrzebowania
2 Instalacja solarna ciepłej wody użytkowej przy wysokim stopniu pokrycia zapotrzebowania
3 Instalacja solarna ciepłej wody użytkowej i wspomagania ogrzewania pomieszczeń
4 Instalacja solarna ciepła technologicznego/klimatyzacji
Współczynniki strat ciepła i sprawność optyczna
wyznaczają charakterystykę sprawności kolektora,
którą można obliczyć z równania:
Obok istniejącego do dyspozycji miejsca i warunków zabudowy,
oraz innych uwarunkowań (np. długie okresy stagnacji dla budynków
szkolnych), czynnikiem decydującym o wyborze typu kolektora jest
zakładana w projekcie różnica temperatur pomiędzy średnią temperaturą
kolektora a temperaturą otoczenia. Wpływa ona bowiem na sprawność
kolektora. Im wyższa jest temperatura robocza kolektora, tym wyższa jest
osiągana moc i tym samym uzysk energii z próżniowych kolektorów
rurowych w stosunku do kolektorów płaskich.
Na sprawność kolektora słonecznego decydujący wpływ mają poszczególne elementy
konstrukcyjne, a w szczególności właściwości przesłony przezroczystej absorbera oraz
skuteczność izolacji cieplnej w danych warunkach atmosferycznych. Sprawność
całkowitą kolektora słonecznego opisuje zależność:
Energia promieniowania słonecznego padająca na powierzchnię kolektora
słonecznego pomniejszona jest o jego straty optyczne oraz straty cieplne. Straty
optyczne są wynikiem pochłaniania i odbijania promieniowania słonecznego przez
osłonę przezroczystą kolektora, natomiast straty cieplne są wynikiem wymiany ciepła
między absorberem a otoczeniem i ściśle zależą od różnicy temperatur ΔT między
temperaturą absorbera Tabs i temperaturą otoczenia To. Im większa jest różnica tych
temperatur, tym większe straty ciepła generuje kolektor słoneczny. W przypadku gdy
temperatura absorbera jest równa temperaturze otoczenia, wyrażenie τα jest równe
sprawności kolektora τα = η i nosi nazwę sprawności optycznej ηo
Sprawność całkowita kolektora słonecznego
Jednym z najważniejszych parametrów opisujących cechy konstrukcyjne kolektora
słonecznego jest wartość progowa natężenia promieniowania słonecznego Ismin, przy
której kolektor słoneczny zaczyna gromadzić energię cieplną. Wartość ta jest ściśle
zależna od różnicy temperatur ΔT między temperaturą absorbera Tabs i temperaturą
otoczenia To. Im wartość ta jest wyższa, tym kolektor słoneczny generuje większe
straty ciepła do otoczenia, a w konsekwencji tego zmienia się jego wartość progowa
Ismin. Wartość progową natężenia promieniowania słonecznego Ismin opisuje
zależność:
Zespół pompowy
(stacja pompowa)
Kompletna stacja pompowa umożliwia łatwe i
nieskomplikowane podłączenie wszystkich
elementów zabezpieczających oraz
regulacyjnych instalacji słonecznej. Składa się
ona z następujących elementów :
• pompy obiegu solarnego, odpornej na
działanie wysokich temperatur (1);
• zaworu bezpieczeństwa (3);
• manometru (7);
• zaworów kulowych (2) na przewodzie
zasilającym (Z) i powrotnym (P) obiegu
solarnego wraz ze zintegrowanymi
termometrami (2);
• separatora powietrza (6);
• rotametru do pomiaru i regulacji przepływu
strumienia płynu solarnego (4);
• króćca do podłączenia naczynia
wzbiorczego (8);
• zaworów do napełniania instalacji słonecznej
płynem niezamarzającym (5).
Zasobniki solarne
W zależności od sposobu ładowania zasobników solarnych wyróżnia się: zasobniki
ładowane pojemnościowo za pomocą wężownicy solarnej oraz zasobniki ładowane
warstwowo za pomocą syfonu termicznego. W zasobnikach ładowanych
pojemnościowo cała objętość wody w zasobniku podgrzewana jest równomiernie do
określonej temperatury, natomiast w zasobnikach z syfonem termicznym –
warstwowo od góry zasobnika
1 – anoda magnezowa, 2 – izolacja cieplna, 3 – wylot ciepłej wody, 4 – zbiornik zasobnika, 5 –
górny wymiennik ciepła (rurowe powierzchnie wymiany ciepła) dla konwencjonalnego
dogrzewania wody pitnej w zasobniku przez kocioł grzewczy, 6 – solarny wymiennik ciepła
(rurowe powierzchnie wymiany ciepła), 7 – wlot zimnej wody.
Biwalentne pojemnościowe podgrzewacze c.w.u.
Warstwowy sposób podgrzewania wody w zasobnikach powodowane jest tym, że
wymienniki solarne w zasobnikach ogrzewają jedynie małą objętość wody do
temperatury zbliżonej do poziomu temperatury zasilania systemu solarnego. Podgrzana
woda przemieszcza się ku górze w rurze odprowadzającej ciepło, osiągając poziom, z
którego może być pobierana przez odbiorców. Przy normalnym promieniowaniu
słonecznym w bardzo krótkim czasie w przestrzeni w oków wężownicy, zostaje
osiągnięta stosunkowo wysoka temperatury wody.
1 – anoda magnezowa, 2 – izolacja cieplna, 3 – wylot ciepłej wody, 4 – zbiornik zasobnika, 5 –
górny wymiennik ciepła (rurowe powierzchnie wymiany ciepła) dla konwencjonalnego
dogrzewania wody pitnej w zasobniku przez kocioł grzewczy, 6 – rura odprowadzająca ciepłą
wodę, 7 – klapa grawitacyjna, 8 – solarny wymiennik ciepła (rurowe powierzchnie wymiany
ciepła).
systemy ładowania warstwowego i układy multiwalentne
Zasobniki ładowane pojemnościowo za pomocą wężownicy solarnej oraz zasobniki
ładowane warstwowo za pomocą syfonu termicznego
Układ regulacji pracą
instalacji słonecznej
Układ regulacji pracą instalacji słonecznej pozwala efektywnie wykorzystać energię
promieniowania słonecznego. Zadaniem sterownika jest kontrola utrzymywania nastawionej różnicy
temperatur pomiędzy kolektorem słonecznym i zasobnikiem na poziomie ok. 8 K . Dwa czujniki
mierzą aktualne wartości temperatur, w kolektorze słonecznym oraz w dolnej części zasobnika. W
przypadku wystarczającego promieniowania słonecznego, to znaczy po przekroczeniu nastawionej
różnicy temperatur, układ regulacji załącza pompę obiegu solarnego. Następuje wówczas proces
podgrzewania c.w.u. w zasobniku. Jeżeli w wyniku zmniejszonej intensywności promieniowania
słonecznego różnica temperatur obniży się poniżej nastawionej wartości zadanej (< 8 K), wtedy
układ regulacyjny spowoduje zmniejszenie prędkości obrotowej pompy obiegowej, co z kolei
przyczyni się do zmniejszenia przepływu strumienia płynu solarnego przez kolektory słoneczne i
pozwoli na utrzymanie różnicy temperatur na wymaganym poziomie. Sterownik wyłącza całkowicie
pompę, gdy mierzona różnica temperatur spadnie poniżej połowy ustawionej wartości zadanej (4
K). W przypadku niedostatecznej temperatury c.w.u. w zasobniku załączone zostaje jej
dogrzewanie przez konwencjonalny kocioł grzewczy.