PŁASKI KOLEKTOR SŁONECZNY.pdf

PŁASKI KOLEKTOR SŁONECZNY

Przedstawiony poniżej opis został przestawiony w piśmie " Młody Technik " nr 3/1983 r.

Autorami artykułu są: Jarosław Mikielewicz, Zbigniew Bilicki.

Podziękowania dla Mirka za przysłane skany artykułu.

W związku z rosnącym zapotrzebowaniem na energię rozpatruje się różne

niekonwencjonalne metody jej uzyskiwania. Jedną z nich jest energia słoneczna. Można

wykazać, że wykorzystanie energii słonecznej nawet w naszych warunkach

klimatycznych jest uzasadnione ekonomicznie, o ile stosowane jest do pewnych

określonych celów. Wynika to ze specyfiki naszego położenia geograficznego i klimatu.

Energia słoneczna, która dociera do powierzchni ziemi w Polsce ma duży udział energii

rozproszonej (bez określonego kierunku padania). Do odbioru energii o takiej strukturze

najlepiej nadają się urządzenia zwane płaskimi kolektorami słonecznymi. Absorbują one

zarówno energię słoneczną bezpośrednio padającą ze słońca (o określonym kierunku

padania promieni), jak też energię rozproszoną. Płaskie kolektory na ogół nie

koncentrują energii słonecznej, a jeżeli już to w niewielkim stopniu. Koncentrować można

tylko energię słoneczną bezpośrednio padającą ze słońca. W naszych polskich

warunkach jest to nieopłacalne. Stąd też w kolektorach płaskich uzyskuje się stosunkowo

niską temperaturę podgrzania czynnika roboczego, ze względu na małą gęstość energii

słonecznej, w porównaniu z powszechnie stosowanymi w praktyce źródłami energii.

Podgrzany w płaskim kolektorze czynnik roboczy, najczęściej woda lub powietrze, może

być wykorzystany do ogrzewania budynków mieszkalnych, obiektów rekreacyjnych,

basenów kąpielowych itp. W dalszej części artykułu zajmiemy się opisem zasady

działania oraz konstrukcją prostego kolektora słonecznego, który może służyć np. do

podgrzewania wody w domku rekreacyjnym lub w warunkach polowych i może być

zbudowany we własnym zakresie przez majsterkowicza.

Zasada działania

Ważnym elementem decydującym o efektywności działania słonecznego jest

intensywność nasłonecznienia. Postarajmy się bliżej określić jej wielkość dla polskich

warunków i od czego ona zależy.

W górnych warstwach atmosfery ziemskiej natężenie promieniowania słonecznego

(prędkość przepływu energii przez jednostkową powierzchnię ustawioną prostopadle do

biegu promieni) wynosi około 1,3 kWh co odpowiada gęstości promieniowania 1300

W/m 2 . Jednakże część promieniowania nie dociera do powierzchni ziemi. Dzieje się tak

wskutek działania atmosfery (absorpcja, rozproszenie, odbicie, ugięcie itp.). Działanie

atmosfery zmniejsza natężenie promieniowania słonecznego dochodzącego do

powierzchni ziemi, do nieco więcej niż połowy wartości jaką miało przy wejściu w

atmosferę. Powoduje ono także zmiany w widmowym rozkładzie energii. Efekty te zależą

od lokalnego składu atmosfery, zanieczyszczeń w pobliżu ośrodków przemysłowych,

wysokiej zawartości pary wodnej w powietrzu, np. w okolicy wybrzeża. Układ warstw

chmur również istotnie wpływa na ilość i jakość energii docierającej do powierzchni

ziemi. Ilość docierającej energii zmienia się wraz z porą dnia, roku oraz w zależności od

położenia geograficznego badanego punktu na kuli ziemskiej. Ten ostatni czynnik jest

nieistotny dla warunków polskich. Można przyjąć, że dla całej Polski natężenie

promieniowania słonecznego jest jednakowe. Na terenie Polski nasłonecznienie jest

zbliżone do północnej Francji i Niemiec, średnia w roku gęstość energii zawiera się w

przedziale od 600 do 800 W/m 2 . W Polsce pomiary promieniowania prowadzone są

przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Wartości promieniowania są mierzone i

podawane w odniesieniu do płaszczyzny poziomej, natomiast kolektory słoneczne są

ustawione najczęściej pod określonym kątem do poziomu tak, aby podczas pracy

promienie słoneczne padały na nie pod kątem możliwie prostopadłym. Intensyfikuje to

znacznie ilość energii padającej na powierzchnie kolektora.

Analiza wyników pomiarów w przeciągu kilku lat przez Instytut Meteorologii i Gospodarki

Wodnej pozwala na przyjęcie następujących wartości nasłonecznienia w Polsce:

Miesiące

Nasłonecznienie [W/m 2 ]

I-XII (średnio cały rok)

650

IV-IX

650

X-III

560

VI-VIII

800

Należy nadmienić, że całkowite dzienne nasłonecznienie nie jest największe, jak by się

wydawało, w okolicy równika lecz na szerokości geograficznej około 40° (Polska leży

między 49° a 54.5°). Wynika to z faktu, że na równiku promienie słoneczne nie padają

całkowicie prostopadle, a przy tym dzień na równiku jest krótszy niż na szerokości 40°.

Wydłużeniu dnia w miarę wzrostu szerokości geograficznej towarzyszy malejące

natężenie promieniowania słonecznego aż do szerokości 40°, a poza nią, na północ, nie

wiele się zmienia. Tak dzieje się w lecie, natomiast w zimie wielkość ta maleje

gwałtownie ze wzrostem szerokości geograficznej. Wynika stąd, że w Polsce w lecie

mamy stosunkowo niezłe warunki nasłonecznienia.

Jeżeli już wiemy na jakie nasłonecznienie możemy liczyć, zastanówmy się, co będzie

się działo z przedmiotem pozostawionym na słońcu. Nagrzeje się on, ponieważ

absorbuje energię słoneczną. Zasada ta wykorzystywana jest w budowie kolektorów

słonecznych.

Jeżeli ciało absorbuje energię, to zgodnie z zasadami termodynamiki wzrasta jego

temperatura. Ciało usiłuje powrócić do stanu wyjściowego przez wyemitowanie nadmiaru

energii. Szybkość emisji energii modelowego ciała, tzw. doskonale czarnego, zależy od

jego temperatury w czwartej potędze:

gdzie [T] = K (temperatura w ° Kelwina)

Ciało rzeczywiste w odróżnieniu od ciała doskonale czarnego ma nieco inną

emisyjność oraz absorpcyjność promieniowania. Uwzględniają to przypisane ciałom

rzeczywistym współczynniki emisji e i absorpcji a. Rozumiane są one w ten sposób, że

ilość emitowanej energii ciała rzeczywistego w porównaniu z ciałem doskonale czarnym

jest e razy mniejsza, a zaabsorbowanej energii jest a razy mniejsza, niż ciała doskonale

czarnego w tej samej temperaturze. I tak np. wypolerowane metale mają współczynnik

emisji około 0,1. Farby, niezależnie od koloru, w niskich temperaturach mają podobne

współczynniki absorpcji i emisji, które są bliskie 1. Z tego powodu nieistotny jest kolor

powierzchni absorbującej promieniowanie w niskich temperaturach.

Po tej dygresji, powróćmy do naszego przykładu z przedmiotem wystawionym na

działanie słońca. Przyjmijmy, że leży on na warstwie materiału izolacyjnego, w miejscu

osłoniętym od wiatru. Jeżeli promieniowanie słoneczne ma wartość P, a współczynnik

absorpcji powierzchni jest a, to przedmiot, np. płytka, będzie nagrzewać się do

temperatury, w której nastąpi równowaga pomiędzy ilością zaabsorbowanej energii, a

energią wypromieniowaną (emitowaną). Temperaturę tę można obliczyć z zależności:

Z zależności tej wynika, że najwyższą temperaturę równowagi otrzymuje się nie dla ciał

doskonale czarnych, ale dla ciał, których stosunek a/e jest największy. Dla powierzchni o

wysokich współczynnikach absorpcji, zbliżonych do ciał doskonale czarnych okazuje się,

że stosunek a/e jest bliski jedności. Dla takich powierzchni przyjmując P = 800 W/m 2

otrzymuje się temperaturę równowagi około 70°C. Wyższe temperatury można uzyskać

dla ciał, których wprawdzie a i e mają wartości niskie, ale ich stosunek jest większy od

jedności. Takie powierzchnie nazywamy absorbentami selektywnymi . Są to zazwyczaj

wypolerowane powierzchnie metalowe pokryte cienkimi warstwami czarnych tlenków

miedzi i niklu (również stosuje się miedź czernioną, czerń chromową, siarczki niklu;

warstwy selektywne poprawiają sprawność kolektora nawet o 50%) . Mają one

współczynnik absorpcji około 0,9 dla krótkofalowego zakresu pochłaniania, natomiast

przepuszczają promieniowanie długofalowe. Współczynnik emisji promieniowania

długofalowego jest w tedy bliski współczynnikowi metalu, tzn. wynosi około 0,1. Taka

selektywna powierzchnia ma a/e około 9. Temperatura równowagi przy P = 800 W/m 2

jest dla niej wyższa i wynosi 154°C. Zasadniczą trudnością podczas eksploatacji takiej

powierzchni jest utrzymanie jej w czystości.

Dalsze podwyższanie temperatury równowagi możliwe jest przez ograniczanie strat

ciepła. Dotychczas analizowaliśmy tylko straty spowodowane emisją promieniowania

powierzchni, która absorbuje promieniowanie słoneczne. Założenie to było sensowne,

gdyż dotyczyło przedmiotu (płytki) osłoniętego od wiatru. Straty ciepła spowodowane

unoszeniem przez ruch powietrza (konwekcję) były niewielkie i kompensowały się z

pozyskiwanym promieniowaniem długofalowym odbitym z atmosfery. Było ono również

pomijane w analizie. W przypadku intensywnego ruchu powietrza (wiatru) straty

konwekcyjne są znacznie większe i należy je uwzględnić w obliczeniach. Zakładając, że

rozważana płytka jest dobrze izolowana od doły, to aby ograniczyć straty od góry

spowodowane konwekcją i promieniowaniem, należy umieścić nad powierzchnią

absorbującą jedną lub kilka przezroczystych płyt. Przezroczyste płyty przepuszczają

krótkofalowe promieniowanie, natomiast absorbują promieniowanie długofalowe odbite

od powierzchni absorpcyjnej. Powoduje to znaczne zmniejszenie strat przez

promieniowanie. Powietrze znajdujące się pomiędzy płytą absorpcyjną a płytą

przezroczystą jest prawie nieruchome i działa jak izolator cieplny, którego wymianę

ciepła pomiędzy płytami określa współczynnik h = 4 W/m 2 C. Przy bardzo małych

odległościach pomiędzy płytami (około 2 cm) występuje tylko mechanizm wymiany ciepła

zwany przewodzeniem, dla którego współczynnik h jest najniższy i wynosi 1,25 W/m 2 C.

Wymiana ciepła przez promieniowanie pomiędzy powierzchnią absorpcyjną o

współczynniku emisji e, a płytą przezroczystą o temperaturze T określona jest

wyrażeniem:

natomiast konwekcyjna:

h*(T-T 1 )

Równowaga energetyczna płyty absorpcyjnej określona jest przez następującą

zależność:

natomiast płyty przezroczystej:

P a - oznacza tu natężenie długofalowego promieniowania pochodzącego z atmosfery. W

naszych warunkach wynosi ono około 200W/m 2 .

h 1 - oznacza współczynnik wymiany ciepła płyty przezroczystej z atmosferą o

temperaturze T a i uzależniony jest głównie od intensywności wiatru. Zmienia się on w

granicach od 4 do 20 W/m 2 C.

Z powyższych równań można wyznaczyć temperatury równowagi płyty absorpcyjnej T

oraz płyty przezroczystej T 1 . Jak wynika z obliczeń wpływ płyty przezroczystej na

temperaturę płyty absorpcyjnej jest znaczny. Przy przyjętej mocy P = 800 W/m 2

temperatura płyty absorpcyjnej zwykłej wynosi 113°C, a powierzchni selektywnej 194°C.

Dalszy wzrost temperatury można uzyskać przez zastosowanie dodatkowych płyt

przezroczystych. W praktyce skuteczne są co najwyżej dwie. Większa liczba może

prowadzić nawet do obniżenia temperatury płyty absorpcyjnej. Inną drogą prowadzącą

do podwyższenia temperatury płyty jest koncentracja energii słonecznej na wejściu do

kolektora poprzez zastosowanie zwierciadeł płaskich, parabolicznych czy też soczewek.

Jednakże w warunkach polskich nie wydaje się to być uzasadnionym z punktu widzenia

ekonomii (zbyt mały efekt przy dużych kosztach inwestycji).

Powierzchnia absorpcyjna, z której odprowadza się ciepło ma oczywiście niższą

temperaturę równowagi niż w omawianych przypadkach. Urządzenie absorbujące

energię słoneczną, z którego odprowadza się ciepło do celów użytecznych to właśnie

kolektor słoneczny. Mogą być różne konstrukcje kolektorów w zależności od sposobu

jego izolacji (przeciwstawiania się stratom cieplnym), kształtu i rodzaju powierzchni

absorbera, czynnika odbierającego ciepło itp.

Określmy temperaturę powierzchni absorpcyjnej, z której odprowadzane jest ciepło w

ilości Q do celów użytecznych. W tym celu zmodyfikujmy równania przedstawione dla

przypadku kolektora bez odprowadzania ciepła.

Równowaga płyty absorpcyjnej jest określona równaniem:

a pokrywy przezroczystej:

Równania te pozwalają na obliczenie, podobnie jak poprzednio, temperatury płyty

absorpcyjnej T oraz płyty przezroczystej T1 przy założonej ilości odprowadzonego ciepła

Ilość ta jest równa ilości ciepła zabieranego przez czynnik chłodzący powierzchnię

absorpcyjną. Jest ona następnie odbierana od czynnika chłodzącego w miejscu

przeznaczenia.

Dla płyty absorpcyjnej dostatecznie długiej temperatura czynnika chłodzącego przy

końcu płyty jest w przybliżeniu równa temperaturze płyty. Stąd też można napisać

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: