17www.informacjainstal.com.pl 3/2015

Źród

ła c

iepł

a i e

nerg

ii el

ektr

yczn

ej

Wprowadzenie

Słońcejestnajjaśniejszymobiektemnaniebie, ale przede wszystkim głównymźródłem energii docierającej na Ziemię.Energia promieniowania słonecznegopodlegakonwersji:fototermicznej(nacie-pło),fotowoltaicznej(naenergięelektrycz-ną) oraz fotobiochemicznej (na energięwiązańbiochemicznych)[13,22].Metodykonwersjifototermicznejdzielisięna:– pasywne,czyliniewymagającedodat-

kowego źródła energii napędowej(wtymdonapędunp.:pomp,wentyla-torów).Wśródprzykładówpasywnychmetod wykorzystania energii słonecz-nejwyróżniasię:ogrzewaniebudynkupoprzez zastosowanie odpowiednioskonstruowanychprzegród,np.:szkla-nych,suszeniepłodówrolnych,bezpo-średnieogrzewaniewodywzbiorniku,akumulacja ciepła w przegrodachbudowlanych, chłodzenie pasywnez wykorzystaniem np.: parowaniawody;

– aktywne,czyliprzetwarzająceenergięsłonecznąwciepłowspecjalnieskon-struowanych instalacjach wymagają-cych dodatkowych nakładów energe-tycznychpodczasichpracy(cieczowekolektory słoneczne, stawy słoneczne,kominysłoneczne,farmyielektrowniesłoneczne,pompyciepła,itp.)[13].Zgodniez[18]rozróżniasię,wzależ-

ności od rodzaju czynnika roboczego,kolektory słoneczne: cieczowe orazpowietrzne.Powietrznekolektorysłonecz-nemogąbyćwykorzystywanedo:– suszenia(płodówrolnych,drewna,bio-

masyuprawowej,biomasyodpadowej,materiałówbudowlanych,itp.)[1,9],

– regulacji mikroklimatu w przechowal-niachpłodówrolnych[6,21],

– naturalnej wentylacji i ogrzewaniapomieszczeń (głównie hal i magazy-

Badania eksperymentalne prototypowego, pasywnego powietrznego kolektora słonecznego

z pokryciem poliwęglanem komorowymExperimental investigation on the thermal efficiency

of a prototype passive solar air collector

KRZYSZTOFDUTKOWSKI,PIOTRPIĄTKOWSKI

prof.nadzw.drhab.inż.KrzysztofDutkowski–ZakładMechanikiPłynów,PolitechnikaKoszalińska;drhab.inż.PiotrPiątkowski–PolitechnikaKoszalińskaKatedraTransportu

Wartykuleprzedstawionowynikibadańprototypupowietrznegopłaskiegopasywnegokolektorasłonecznego.Kolektorwykonanyzblachyaluminio-wejmiałkonstrukcjęskrzynkowąowymiarach1,04x2,08x0,18m(szer.xwys.xgł.).Dokolektoradopływałopowietrzeprzezkanałośrednicy110mmidługości0,5m.Kanałwypływuogrzanegopowietrzawykona-nozruryośrednicy130mmidługości0,5m.Skrzyniękolektorazamkniętopłytąkomorowąwykonanązpoliwęglanuwkolorzebrązowymogrubości5mm.Badaniaprototypuprzeprowadzonowwarunkachlabo-ratoryjnych,gdzieuzyskanokonwekcyjnyprzepływpowietrzaprzezskrzy-niękolektora.JakoźródłoenergiidostarczonejdokolektorawykorzystanopromiennikipodczerwieniomaksymalnymnatężeniuI=0–325W/m2.Badaniadotyczyłyzmiantemperaturypowierzchniczynnejkolektoraorazokreśleniajegomocycieplnejzależnejodzastosowanejkonstrukcjikolekto-raorazzmianynatężeniapromieniowania.Wwynikuprzeprowadzonychbadańokreślono,żedlamaksymalnegonatężeniapromieniowaniaśredniaprędkośćpowietrzanadopływiewyniosław=1m/s,objętościowenatę-żenieprzepływupowietrzawyniosłoV=28m3/h,natomiastmoccieplnawyniosłaQ=270Wprzysprawnościnapoziomieη=41%.Słowa kluczowe: pasywny powietrzny kolektor słoneczny, badania ekspe-rymentalne, przepływ ciepła, sprawność cieplna

Theresultsofexperimentalinvestigationsontheprototypeflatairsolarcollectorarepresentedinthispaper.Thecollectorconsistsofanaluminumcasingwithdimensions1.04m(width)x2.08m(height)x0.18m(thickness).Theairinlettothecollectorhasaninletchannelwithdiameter,din,of110mmandalengthof0.5m.Theairoutletchannelhasaninternaldiameter,dout,130mmandalengthof0.5m.Theprototypesolaraircollectorhasacovermadeofacellularpolycarbonatewithathicknessof5mmandinbrowncolor.Thestudywasperformedonalaboratoryset-up.Thecollectorworkedunderconditionsofnaturalconvection.ThetestswereperformedforarangeofirradianceI=0–325W/m2.Theabsorbersurfacetemperaturevariations,airtemperatureincrease,thecollectorthermalpower,andthecollectorefficiencyweredetermined.Itwasfoundthatatmaximumirradiation,theairvelocitywasw=1m/s,volumeflowrateofairV=28m3/h,andthecorrespondingheattransferrateandthermalefficiencywereQ=270Wandη=41%,respectively.Keywords: solar passive air collector, experimental investigations, heat transfer, thermal efficiency

18 3/2015 www.informacjainstal.com.pl

Ź nów)–tzw.pasywnekominysłoneczne[10,15,16],

– podgrzewaniaszklarni[4,5],– wspomaganiaciepłem,wokresienajwiększejpodażypromieniowaniasłonecznego,wszelkichprocesówtechnologicznychwyma-

gającychciepłegopowietrza[14,20].Praktyczniebezkosztowewspomaganieprocesówtechnologicznych,dziękiwykorzystaniuenergiipromieniowaniaSłońca,sprzy-

jazwiększeniuzyskuprzedsiębiorstwa.Wukładachpasywnych,zakuporazmontażkolektorapowietrznegojestjedynymwydatkiemponoszonymprzezinwestora.Unikawięconkosztów,niezbędnychwprzypadkukolektorówcieczowych,wynikającychz:wykonaniaprojektuinstalacji,uzyskaniazezwolenianabudowę,zakupuarmaturyiukładówkontrolno-sterujących,zasobników,pośredniczącychwymiennikówciepła,czynnikaroboczego,serwisowania,itp.

Niewielkiezainteresowaniepowietrznymikolektoramisłonecznymi,wporównaniudokolektorówcieczowych,wynikazbrakupowszechnych,rzetelnych,uzyskanychwwarunkacheksploatacyjnychdanychnatematparametrówichpracy,wtymefektywnościenergetycznej.Badaniaprototypowychrozwiązańpowietrznychkolektorówsłonecznychprowadzonesąwwielukrajach.

ArceJ.iinni[3]badalikolektorsłoneczny(kominsłoneczny)owymiarachHxL=4,5x1,0m.GrubośćszczelinypowietrznejwynosiłaB=0,3m.Badaniaparametrówcieplnychiprzepływowychprowadzonowwarunkachnaturalnych.Wczasiemaksymal-negonatężeniapromieniowaniasłonecznego(I=604W/m2)wzrosttemperaturypowietrzaprzepływającegoprzezkolektorwynosił7K,zaśkonwekcyjnyprzepływpowietrzabyłnapoziomie50-374m3/hdającśrednidziennypoziom177m3/h.Badaniaekspery-mentalnepotwierdziły, żenatężenieprzepływupowietrzaprzezkolektorzależałogłównieodprzyrostu temperatury,awefekciezmianciśnieniawywołanychróżnągęstościąpowietrzanazewnątrzorazwewnątrzkomina.

ChenZ.D.iinni[7],wykorzystująclaboratoryjnykominsłonecznyoogrzewanejelektrycznietylnejściance,badalieksperymen-talniewpływwielkościgeometrycznychkolektora,kątaodchyleniaodpionuorazwielkościdoprowadzonegostrumieniaciepłanakonwekcyjnenatężenieprzepływupowietrza.PrzystałejwysokościkominawynoszącejH=1,5miszerokościL=0,62mnajwiększenatężenieprzepływupowietrzauzyskanowówczas,gdygrubośćszczelinywynosiła200mm,akolektorbyłodchylonyodpionuo45º.ObjętościowenatężenieprzepływupowietrzawynosiłoV=0,035m3/sibyłoo45%większeoduzyskanegopodczaspiono-wegoustawieniakolektora.

AlvarezG.iinni[2]zaprezentowaliwynikibadańprototypowegokolektorasłonecznego,któregoabsorberwykonanozpuszekaluminiowychuzyskanychzrecyklingu.Szesnaścierównoległychkanałówzłożonychłącznieze128pomalowanychnaczarnopuszekumieszczonopod szklanymprzykryciem. Przedstawionowyniki badańeksperymentalnych sprawnościproponowanegokolektora.Wynikibadańporównanozwynikamibadańinnychautorów.Opróczniewątpliwejzalety,jakąjestwykorzystaniedobudowykolek-toramateriałówodpadowych,stwierdzonoponad60%wzrost sprawnościkolektorawstosunkudosprawności innychkolektoróworozwiniętejpowierzchniabsorbera.

KoncepcjęwykorzystaniaodpadowychpuszekaluminiowychdobudowykolektorapowietrznegoopisanotakżewpracyOzgenF.iinni[8,17].Autorzyokreślilieksperymentalniesprawnośćtrzechprototypowychrozwiązańkolektorówzpodwójnymprzepływem(nadipodabsorberem).Dobadańwykorzystanokolektory:zpłaskimabsorberem;zpuszkamiusta-wionymiwszeregiumocowanymipoobustronachabsorberaorazpuszkamiustawionymiwszachownicęiumocowanymipoobustronachabsorbera.Wszystkiekonstrukcjepra-cowałyjednocześniewwarunkachnaturalnegopromieniowaniasłonecznegoorazpod-czaswymuszonegoprzepływupowietrzaowartościG=0,03kg/s iG=0,05kg/s.Większą sprawność uzyskano dla kolektora podczas przepływu powietrza o natężeniuprzepływu0,05kg/s.Największąsprawnośćuzyskiwałkolektorpowietrznyzpuszkamiustawionyminaprzemiennie.Wgodzinachmaksymalnegonatężeniapromieniowaniasło-necznegosprawnośćtegokolektoraprzekraczała70%.

NatereniePolskibrakjestproducentapasywnychpowietrznychkolektorówsłonecz-nych.Podejmowanesąstaraniamającenaceluopracowanieprototypu,którybędziestanowiłmodelgotowydorozpoczęciaprodukcjimasowej.Wartykuleopisanowynikibadań laboratoryjnych pierwszego profesjonalnego, prototypowego pasywnegopowietrznego kolektora słonecznego z płaskim absorberem i pokryciem wykonanymzciemnegopoliwęglanukomorowego.

Uzyskanewynikibadańpasywnegokolektorapowietrznegostanowiąbazęporównaw-cządlawynikówbadańzrealizowanychzwykorzystaniemkolejnych,bardziejzaawanso-wanych rozwiązań konstrukcyjnych. Dostępność wyników tych badań jest szczególnieistotna,gdyżtrudnojestznaleźćwliteraturzeświatowejwynikibadańkolektorówpasyw-nych.Dodatkowowiększośćpublikacjizwiązanychzpowietrznymikolektoramisłoneczny-mi prezentuje wyniki eksperymentów zrealizowanych w warunkach naturalnych czylizmiennychwczasie.Wahaniomulega,zależnieodpanującychwarunkówatmosferycz-nych:natężeniepromieniowania,temperaturaotoczenia,prędkośćpowietrzawotoczeniu,coniejednokrotnieprzybrakukompletnejinformacjistanowiproblemwporównaniuwyni-kówbadańróżnychautorów.

Badania eksperymentalne

KolektorNarys.1przedstawionowidokprototypowego,powietrznegokolektorasłoneczne-

go.Kolektorskładasięzaluminiowejobudowyowymiarach:L=1,04m(szerokość)x

Rys. 1. Widok badanego kolektora słonecznego Fig. 1. View of tested solar collector

19www.informacjainstal.com.pl 3/2015

Źród

ła c

iepł

a i e

nerg

ii el

ektr

yczn

ej

H = 2,08 m (wysokość) x 0,18 m (gru-bość).Tylna,wewnętrznaścianakolektorawyłożonajestizolacjązwełnymineralnejo grubości 50 mm. Na jej powierzchniznajduje się płaski absorber wykonanyzblachyaluminiowejogrubości0,5mmpokryty cienką warstwą czarnej matowejfarby. Do tylnej powierzchni absorberaprzymocowano12termopartypuK.Reje-stracja wskazań termopar pozwoliła naokreślenieczasupotrzebnegodouzyska-niastanuustalonegoukładuorazrozkładutemperatury powierzchni absorbera.Ściankiboczne,górnaorazdolnakolekto-ra wyłożone są warstwą izolacyjnąz wełny mineralnej grubości 20 mm.Transparentneprzykryciekolektorawyko-nano z poliwęglanu jednokomorowegow kolorze brązowym o grubości 5 mm.Wlot powietrza do wnętrza kolektoraodbywasięwsposóbnaturalnykanałemrurowymośrednicydin=110mmidługo-ści 0,5 m. Kanał wylotowy powietrzaposiadaśrednicęwewnętrznądout=130mmidługość0,5m.Osiekanałówdoloto-

wegoiwylotowegoumieszczonowpołowieszerokościkolektoraodpowiednio90mmoddolnejkrawędzikolektorai110mmodjegogórnejkrawędzi.

Stanowisko badawcze i metodyka badańSchematstanowiskabadawczegoprzedstawiononarys.2.Podstawowymjegoelementembyłprototypowypowietrznykolektor

słonecznyustawionynakonstrukcjinośnej.Kolektorpracowałwpozycjipionowej.Odległośćdolnejkrawędzikolektoraodpowierzch-nipodłogiwynosiła0,5m.

Wodległości2modpowierzchniczołowejumieszczonozespółpromiennikówzmożliwościąregulacjiichnatężeniapromieniowania.CałkowitenatężeniepromieniowaniadocierającedopowierzchnikolektoramierzonebyłozapomocąpyranometrusecondarystandardCMP11firmyKipp&Zonen.Wartośćnatężeniapromieniowaniaokreślonojakośredniąarytmetycznąz30wartościlokalnychpromienio-waniacałkowitegomierzonychwpunktach równomiernie rozmieszczonychnapowierzchniczołowejkolektora (rys.2).Maksymalna,możliwadouzyskaniawwarunkachlaboratoryjnych,wartośćcałkowitegonatężeniapromieniowania,wynosiłaI=350W/m2.

Temperaturępowietrzanawejściudokanałuwlotowego,temperaturępowietrzanawypływiezkanałuwylotowego,temperaturęotoczeniaoraztemperaturępowierzchniabsorbera(w12równomiernierozłożonychpunktach)mierzonozapomocąindywidualniewykonanychtermopartypuK.Każdaztermoparbyłaindywidualniecechowana(wzakresie20ºC÷80ºC)względemwzorcowegotermometruszklanegoodziałceelementarnej0,02ºC.Błądwskazańtermoparnieprzekraczał±0,2K.Wszystkiesygnałytemperaturybyłyarchiwizowaneco20s,zapomocąrejestratoraMemographRSG40firmyEndress&Hauser.Wartośćtemperaturywstanieustalo-nymprzyjmowanojakośredniązodczytówdokonanychwczasie5minut.

PrędkośćprzepływupowietrzamierzononawejściudokanałuwlotowegozapomocąręcznegotermoanemometruTesto524.Jakopręd-kośćpowietrzanawlocieprzyjmowanośredniąważonązpięciupunktówpomiarowych(wosipionowejipoziomej).Dokładnośćpojedyn-czegopomiaruprędkościwynosiła±0,03m/s+5%mierzonejwartości.Stądmaksymalnybłądpomiaruprędkościwynosił±0,08m/s.

Wzrosttemperaturypowietrza∆Tprzepływającegoprzezkolektorwyznaczonojakoróżnicępomiędzytemperaturąpowietrzaopusz-czającegokanałwylotowyTout,atemperaturąpowietrzanawejściudokolektoraTin.Należyzauważyć,żetemperaturapowietrzanawejściudokolektorabyłastałaiodpowiadałatemperaturzeotoczeniaTamb,stądTin=Tamb=20ºC±2ºC.

∆T=Tout–Tin=Tout–Tamb, (1)

Objętościowenatężenieprzepływupowietrzaprzezkolektorobliczononapodstawiewielkościzmierzonychwkanaledolotowymzrównania:

V=w·(0,25·p·d2in), (2)

gdzie:w – średniaprędkośćpowietrzawkanaledolotowym,din – średnicawewnętrznakanałudolotowego.

Wydajnośćcieplnąkolektorasłonecznegowyznaczononapodstawiezależności:

Q=m·cp·∆T=r·V·cp·∆T, (3)

Rys. 2. Schemat stanowiska pomiarowego: 1 – kolektor powietrzny, 2 – źródło promieniowania o regulowanej mocy, 3 – system akwizycji danych, T1 ÷ T12 – miejsce pomiaru temperatury powierzchni absorbera, Tin – temperatura powietrza na wejściu do kolektora, Tout – temperatura powietrza na wyjściu z kolektora, w – prędkość przepływu powietrza, I1 ÷ I30 – miejsce pomiaru lokalnej wartości promieniowania cał-kowitego Fig. 2. Measurement schematic: 1 – air collector, 2 – adjustable radiation source, 3 – data acquisition system, T1-T12 – the absorber surface temperature measurement locations, Tin – the inlet air temperatu-re, Tout – the outlet air temperature, w – the air velocity, I1-I30 – total radiation measurement locations

20 3/2015 www.informacjainstal.com.pl

Ź gdzie:r – gęstośćpowietrzawtemperaturzewlotowej,cp – ciepłowłaściwepowietrzawtemperaturzeotoczenia.

Sprawnośćcieplnąpasywnegokolektorapowietrznegookreślonowykorzystującrównanie:

(4)

gdzie:I – średniawartośćcałkowitegonatężeniapromieniowaniadocierającegodopowierzchniczołowejkolektora,A – powierzchniaabsorbera.

Wyniki badań i analiza

Badaniaeksperymentalnerealizowanowedługnastępującejprocedury.Pouruchomieniuprzyrządówpomiarowychorazrejestra-toraustawiano,zapomocąautotransformatora,wartośćnatężeniaprądudoprowadzanegodozespołupromienników.Układbadaw-czypozostawianodouzyskaniastanuustalonego.Brakzmianwewskazaniachtemperaturypowierzchniabsorberaprzezminimum5minut,byłsygnałemuzyskaniastanuustalonego.Wówczasmierzonoprędkościlokalnepowietrzanawejściudokanałuwlotowegoorazrozkładcałkowitegonatężeniapromieniowanianapowierzchniczołowejpowietrznegokolektorasłonecznego.Wynikiodczytówprędkościpowietrzainatężeniapromieniowaniaorazzapisanewpamięcirejestratorawartościchwilowetemperaturyposłużyłydoprzeprowadzeniaobliczeńorazwykonaniacharakterystyk.

Warunki ustalonego przepływuNarys.3przedstawionoprzykładowo

wyniki pomiarów temperatury tylnejpowierzchniabsorbera,odmomentuwłą-czenia źródła promieniowania do osią-gnięciastanuustalonego.

Pomiar temperatury zrealizowanow12punktach rozmieszczonychna czte-rechróżnychwysokościach(rys.2).Prezen-towanyprzebiegzmianytemperaturyuzy-skanopodczasbadańprzyśredniejwarto-ścicałkowitegonatężeniapromieniowaniawynoszącej I = 301,2 W/m2. Na rys. 3widać,żeczas,poktórymosiągniętostanustalonyjestróżnyiwynosiokoło15minutdlamiejscpomiarowychpołożonychwdol-nejczęścikolektoradookoło20minutdlamiejscpołożonychnajwyżej.Potwierdzająto wyniki badań przy innych wartościachnatężenia promieniowania (nie prezento-wane tutaj). Z rys. 3 wynika również, żenajwyższa,dlategoprzypadkubadawcze-go, zmierzona temperatura powierzchniabsorberawynosiłaokoło58oC.

Przyrost temperatury czynnika roboczego

Narys.4przedstawionowzrosttempe-raturypowietrza∆T(wzór1)przepływają-cego przez kolektor w funkcji natężeniapromieniowaniaI.Wrazzewzrostemwar-tościnatężeniapromieniowaniaproporcjo-nalniewzrastawartość∆Tpowietrzaprze-pływającegoprzezkolektor.

Prostoliniowy charakter zmian ∆Tobserwuje się zarówno podczas pracykolektora powietrznego w warunkachwymuszonego przepływu [11,12], jaki podczas konwekcji swobodnej [20].Zuwaginato,żepotwierdzonoekspery-mentalnie liniowy charakterwzrostu tem-peratury powietrza przepływającego

Fig. 4. Zależność przyrostu tem-peratury powietrza ∆T przepływają-cego przez kolektor od średniego natężenie pro-mieniowania IFig. 4. The increase in the air temperatu-re rise, ∆T, flo-wing through the collector of the average radiation intensity, I

Fig. 3. Rozkład lokalnej temperatury tylnej powierzchni absorbera w czasie; średnie całkowite natężenie promieniowania I=301,2 W/m2

Fig. 3. The variation of local temperature of absorber surface; total radiation I = 301.2 W/m2

21www.informacjainstal.com.pl 3/2015

Źród

ła c

iepł

a i e

nerg

ii el

ektr

yczn

ej

przezkolektorwfunkcjinatężeniapromie-niowania,proponujesięstosowaniezależ-ności[20]:

(5)

gdzie:Io=1000W/m2–wzorcowe(standardo-we)natężeniepromieniowania,TGiTL–charakterystycznewartościtempe-raturykolektora.Dlabadanegokolektoraprzyjmują wartości TG = 74oC oraz TL =4oC.Zgodniezrównaniem(5)teoretycznywzrost temperaturypowietrzaprzepływa-jącegoprzezbadanykolektor,przy stan-dardowym natężeniu promieniowania,wynosi∆T=78oC.

Parametry przepływowe czynnika roboczego

Podczas badań eksperymentalnychprototypowego, pasywnego kolektorapowietrznegomierzonośredniąprędkośćprzepływu powietrza. Ruch powietrzawywołany był konwekcją swobodnąwszczeliniepowietrznejutworzonejprzezpokrycie kolektora i absorber. Prędkośćpowietrzamierzononawlociedokolekto-ra,zewzględunastałątemperaturęzasy-sanego powietrza, równą temperaturzeotoczenia.

Na rys. 5 przedstawiono wynikipomiarów prędkości powietrza przepły-wającegoprzezkolektorwzależnościodnatężeniapromieniowania. Zauważa się,że wraz ze wzrostem wartości natężeniapromieniowaniawzrastaśredniaprędkośćprzepływupowietrza.Krzywaw=f(I)maprzebieglogarytmiczny.Zwiększaniewar-tościnatężeniapromieniowaniapowodujecorazmniejszyprzyrostśredniejprędkościprzepływupowietrza.Maksymalna, śred-nia prędkość przepływu powietrza przezkolektor, w warunkach eksperymentu,wynosiłaokołow=1m/s.

Na podstawie zmierzonej wartościśredniejprędkościwobliczonozzależno-ści(2)objętościowenatężenieprzepływupowietrzaV˙.Zgodniezrys.6maksymal-nenatężenieprzepływupowietrzaprzezpasywnykolektorwynosiłoV˙=28m3/h.Jest to wartość prawie dziesięciokrotnieniższaoduzyskanej,przyanalogicznymstrumieniuciepła,przezautorówRyanD.iBurekS.A.M. [19].Badalionikonwek-cyjnyprzepływpowietrzawkanaleosze-

rokości1migrubościszczelinypowietrznejB=0,02÷0,15mwwarunkachnieograniczonejprzestrzeniwlotowejiwylotowej.ZhaiX.Qi inni[23]badaliprzepływpowietrzakanałemzelektryczniepodgrzewanątylnąścianką.Kanałowymiarach(szerokośćxwysokośćxgrubośćszczelinypowietrznej)500x1500x200mmbyłpochylonypodkątem45ºipracowałwwarunkachkonwek-cjiswobodnej.Przestrzeniedolotowaiwylotowazkolektorabyłynieograniczone.PrzygęstościstrumieniaciepłaI=300W/m2objętościowenatężenieprzepływupowietrzawynosiłookołoV˙=80m3/h,czylibyło3-krotniewiększeoduzyskanegopodczasniniejszycheksperymentów.Autorzy[23]zauważyli,żekątpochyleniakolektora,innyniż45ºobniżaprędkośćprzepływupowie-trza.

Fig. 6. Zależność objętościowego natężenia przepływu powietrza V przepływającego przez kanał wlotowy kolektora od średniego natężenia promieniowaniaFig. 6. Dependence of air volume flow rate, V, flowing through the inlet channel of collector duct on the average irradiance

Fig. 7. Zależność wydajności cieplnej Q kolektora od średniego natężenia promieniowa-nia IFig. 7. Collec-tor heat trans-fer rate, Q, versus the irradiance

Fig. 5. Zależność prędkości powietrza w na wejściu do kanału wlotowego kolektora od natężenia promieniowa-nia IFig. 5. Air velocity, w, at the inlet to the inlet channel of collector, as a function of the irradian-ce, I

22 3/2015 www.informacjainstal.com.pl

Ź Niższewartościnatężeniaprzepływu

powietrzaprzezbadanykolektorspowo-dowane są zmniejszeniem jego polaprzekroju idodatkowymioporamiprze-pływu powietrza kanałami rurowymi:dolotowymiwylotowym.

Wydajność cieplna kolektoraNarys.7przedstawionowpływnatęże-

niapromieniowaniaInawydajnośćcieplnąkolektoraokreślonązależnością(3).

Wzrostwartościnatężeniapromienio-waniasłonecznegopowodujewzrostwar-tości wydajności cieplnej kolektora.ZpracyZhaiX.Q i inni [23]wynika, żeprzy stałym natężeniu przepływu powie-trzawydajnośćcieplnakolektorazmieniasięproporcjonalniedonatężeniapromie-niowania. W przypadku konwekcji swo-bodnejwzrostnatężeniapromieniowaniapociągazasobąproporcjonalnyprzyrosttemperatury czynnika oraz dodatkowywzrostprędkości jegoprzepływu. Tłuma-czytoparabolicznykształtkrzywejpoka-zanejnarys.7.

Sprawność cieplna kolektoraNarys.8przedstawionowynikiobli-

czeń sprawności cieplnej kolektora dlaróżnychwartościnatężeniapromieniowa-nia I. Sprawność cieplną obliczono napodstawiezależności(4).Wynikastąd,żewraz ze wzrostem natężenia promienio-waniawzrastasprawnośćcieplnakolekto-ra.Maksymalna,uzyskanawwarunkacheksperymentu, sprawnośćwynosiłaokoło41% dla I = 325 W/m2. W badaniach

[23]zwykorzystaniemkolektorasłonecznegozpłaskimabsorberempracującymwwarunkachkonwekcjiwymuszonej(G =0,040kg/(m2s))uzyskanosprawnośćcieplnąη∼35%przyI=300W/m2.

Sprawnośćcieplnakolektora,wyrażonajakostosunekużytecznegostrumieniaciepładoprowadzonegodopłynuimocycieplnejdocierającejdokolektorawyrażonajestzależnością(4).

Podsumowanie i wnioski

Wyniki badań cieczowych, płaskich kolektorów słonecznych są w literaturze często publikowane. Podane są także zależnościpozwalająceokreślić charakterystyki cieplne tego typu kolektorów. Liczbapublikacji dotyczącychpłaskichpowietrznych kolektorówsłonecznychjestznaczniemniejsza,cowznacznymstopniuutrudniawłaściweichprojektowanieirozpowszechnieniewwieludziedzi-nach,zwłaszczagospodarkikomunalnejiwprzemyślerolno-spożywczym.

Przedstawione w opracowaniu wyniki własnych badań eksperymentalnych charakterystyk płaskiego, powietrznego kolektorasłonecznegozwracająuwagęnaproblemytegotypusolarnychelementówpasywnych.Przedmiotembadańbyłpłaskikolektorsło-necznyzpokryciemwykonanymzpoliwęglanukomorowegoogrubości5mmwkolorzebrązowym.Badaniawykonanewlabora-toryjnymstanowiskupomiarowympozwoliłynaopracowaniepodstawowychcharakterystykeksploatacyjnych tego typukolektora.Kolektorpracowałwwarunkachkonwekcjiswobodnej.

Napodstawiepomiarówokreślonorozkładtemperaturypowierzchniabsorbera,przyrosttemperaturypowietrzapodczasprze-pływuprzezkolektor,moccieplnąkolektora,sprawnośćtermiczną.BadaniaprzeprowadzonowzakresienatężeniapromieniowaniaI=0÷325W/m2.Dlamaksymalnejwartościnatężeniapromieniowaniaprędkośćprzepływupowietrzawynosiław=1m/s(objęto-ściowenatężenieprzepływupowietrza V =28m3/h), copozwoliło uzyskaćmoc cieplną kolektoraowartościQ=270Wprzysprawnościtermicznejη=41%.

Wynikibadańeksperymentalnychporównanozdostępnymibadaniamiinnychautorów.Uzyskaneefektybadańwłasnychsąporównywalnedoinnych,częstoprototypowychkonstrukcji.Fakttenpozwalaoptymistycznieprognozowaćdalszedoskonaleniekonstrukcjipasywnego,powietrznegokolektorasłonecznego.Wymaganesądalszebadaniaeksperymentalneorazopracowaniewynikówpozwalającychnauogólnienieopisucharakterystykcieplno-przepływowychnowegotyposzeregukolektorówpowietrz-nych.

Fig. 8. Wpływ natężenia promieniowania I na efektywność cieplną η kolektora Fig. 8. Influence of irradiance, I, on the thermal efficiency, η, of the collector

Fig. 9. Zależność sprawności cieplnej η powietrznego kolektora słonecznego od współczynnika wzrostu tem-peratury (Tout-Tamb)/IFig. 9. Efficiency, η, of the air solar collector versus the temperature rise factor (Tout-Tamb)/I

23www.informacjainstal.com.pl 3/2015

Źród

ła c

iepł

a i e

nerg

ii el

ektr

yczn

ej

L I T E R AT U R A

[1] AfriyieJ.K.,NazhaM.A.A.,RajakarunaH.,ForsonF.K.:Experimentalinvestigationsofachimney-dependentsolarcropdryer,Renewable Energy,34(2009),pp.217-222.[2] AlvarezG.,ArceJ.,LiraL.,HerasM.R.:Thermalperformanceofanairsolarcollectorwithanabsorberplatemadeofrecyclablealuminumcans,Solar Energy,77(2004),pp.

107-113.[3] ArceJ.,JimenezM.J.,GuzmanJ.D.,HerasM.R.,AlvarezG.,XamanJ.:Experimentalstudyfornaturalventilationonasolarchimney,Renewable Energy,34(2009),pp.2928-

2934.[4] BenliH.,DurmusA.:Performanceanalysisofalatentheatstoragesystemwithphasechangematerialfornewdesignedsolarcollectorsingreenhouseheating,Solar Energy,83

(2009),pp.2109-2119.[5] BenliH.:Experimentallyderivedefficiencyandexergyanalysisofanewsolarairheaterhavingdifferentsurfaceshapes,Renewable Energy,50(2013),pp.58-67.[6] BouadilaS.,KooliS.,LazaarM.,SkouriS.,FarhatA.:Performanceofanewsolarairheaterwithpacked-bedlatentstorageenergyfornocturnaluse,Applied Energy,110(2013),

pp.267-275.[7] ChenaZ.D.,BandopadhayayP.,HalldorssonJ.,ByrjalsenC.,HeiselbergP.,LiY.:Anexperimentalinvestigationofasolarchimneymodelwithuniformwallheatflux,Building and

Environment,38(2003),pp.893-906.[8] EsenH.,OzgenF.,EsenM.,SengurA.:Modellingofanewsolarairheaterthroughleast-squaressupportvectormachines,Expert Systems with Applications,36(2009),pp.

10673-10682.[9] FudholiA.,SopianK.,RuslanM.H.,AlghoulM.A.,SulaimanM.Y.:Reviewofsolardryersforagriculturalandmarineproducts,Renewable and Sustainable Energy Reviews,14

(2010),pp.1-30.[10] GanG.:Simulationofbuoyancy-inducedflowinopencavitiesfornaturalventilation,Energy and Buildings,38(2006),pp.410-420.[11] KarimM.A.,HawladerM.N.A.:Developmentofsolaraircollectorsfordryingapplications,Energy Conversion and Management,45(2004),pp.329-344.[12] KarimM.A.,HawladerM.N.A.:Performanceevaluationofav-groovesolaraircollectorfordryingapplications,Applied Thermal Engineering,26(2006),pp.121-130.[13] LewandowskiW.M.:Proekologiczne odnawialne źródła energii,WNT,Warszawa,2012.[14] ManeewanS.,KhedariJ.,ZeghmatiB.,HirunlabhJ.,EakburanawatJ.:Investigationongeneratedpowerofthermoelectricroofsolarcollector,Renewable Energy,29(2004),pp.

743-752.[15] MiyazakiT.,AkisawaA.,KashiwagiT.:TheeffectsofsolarchimneysonthermalloadmitigationofofficebuildingsundertheJapaneseclimate,Renewable Energy,31(2006),pp.

987-1010.[16] NematollahiO.,AlamdariP.,AssariM.R.:Experimentalinvestigationofadualpurposesolarheatingsystem,Energy Conversion and Management,78(2014),pp.359-366.[17] OzgenF.,EsenM.,EsenH.:Experimentalinvestigationofthermalperformanceofadouble-flowsolarairheaterhavingaluminiumcans,Renewable Energy,34(2009),pp.2391-

2398.[18] PNENISO9488.SolarEnergy–Vocabulary.[19] RyanD.,BurekS.A.M.:Experimentalstudyoftheinfluenceofcollectorheightonthesteadystateperformanceofapassivesolarairheater,Solar Energy,84(2010),pp.1676-1684.[20] ToureS.:Characteristictemperaturesinanaturalconvectionsolarairheater,Energy Conversion and Management,42(2001),pp.1157-1168.[21] YusoffW.F.M.,SallehE.,AdamN.M.,SapianA.R.,SulaimanM.Y.:Enhancementofstackventilationinhotandhumidclimateusingacombinationofroofsolarcollectorand

verticalstack,Building and Environment,45(2010),pp.2296-2308.[22] ZapałowiczZ.,NowakowskiJ.:Ocenamożliwościzastosowaniaogniwfotowoltaicznychwwojewództwiezachodniopomorskimnapodstawiedanychdoświadczalnych.Instal,nr

1(203),2001,s.13-16.[23] ZhaiX.Q.,DaiY.J.,R.Z.:ExperimentalinvestigationonairheatingandnaturalventilationofasolarairWangcollector,Energy and Buildings,37(2005),pp.373-381.

n