|
|
ekoEnergia: ogrzewanie, wentylacja pomieszczeń, mądre budowanie, energia solarna, ekologia
|
|
|
|
|
|
|
|
KOLEKTORY SłONECZNE |
|
|
16.04.2007. |
Absorber, konwersja, ogrzewanie słoneczne |
 |
Opis wyjaśniający działanie kolektorów słonecznych.
Ideowy schemat procesu przemiany energii promieniowania słonecznego w
użyteczną energię cieplną pokazano na rys. l.
Promieniowanie słoneczne
pada na kolektor, którego zadaniem jest absorpcja energii
promieniowania i przetwarzanie jej na ciepło, które zostaje
wykorzystane do podgrzania czynnika roboczego. Czynnik roboczy
magazynowany w zasobniku wykorzystany jest do podgrzewania
ciepłej wody
użytkowej, wody do ogrzewania lub na potrzeby technologiczne.
Kolektory
spełniają funkcję konwersji energii promieniowania słonecznego w ciepło.
Podstawowymi elementami kolektora, są:
- absorber,
- izolacja termiczna,
- pokrycie przepuszczające promieniowanie słoneczne a izolujące od strat przez konwekcję,
W kolektorach skupiających wykorzystano optyczne układy lustra lub soczewki do powiększenia gęstości strumienia promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię pochłaniającą promieniowanie.
W rezultacie pola powierzchni, pochłaniających energię promieniowania są znacznie mniejsze niż w kolektorach płaskich i dzięki temu, pomimo wyższej temperatury powierzchni, straty mocy cieplnej kolektora są mniejsze. Równocześnie większa gęstość strumienia energii padającej na powierzchnię pochłaniającą umożliwia uzyskanie znacznie wyższej temperatury czynnika roboczego.
Kolektory skupiające wyposażane są czasami w urządzenia nadążne, ustawiające je prostopadle do kierunku promieniowania słonecznego. Korzyści wynikające z mniejszych strat cieplnych są częściowo niweczone stratami optycznymi i zużyciem energii niezbędnej do obracania kolektorów. Gęstość strumienia energii promieniowania padającej na powierzchnię pochłaniającą jest większa 1,5 do 10000 razy od gęstości promieniowania słonecznego. Duża gęstość strumienia energii promieniowania umożliwia uzyskanie znacznego przyrostu temperatury czynnika roboczego, ale równocześnie stawia to duże wymagania w zakresie wytrzymałości i dokładności wykonywania poszczególnych elementów.
Na tej zasadzie budowane są wszystkie instalacje wysokotemperaturowe i między innymi tzw. piece słoneczne wykorzystywane w laboratoriach do badania właściwości materiałów. W 1955 r. wybudowano w Algierii siłownię o mocy 30 kW (przy 3000°C), tzw. heliodyn, w r. 1966 w San Diego piec do badania związków wolframu i innych spieków w temperaturze do 3000°C. W 1970 r. w Odeill - Font Romeu w Pirenejach zbudowano piec o mocy 1000 kW, w którym osiągana jest temperatura do 4000°C. Moc tę uzyskano skupiając promieniowanie za pomocą luster o polu powierzchni 2000 m2.
Najnowszej generacji piec słoneczny w Krajowym Laboratorium Energii Odnawialnej w Kolorado skupia energię słoneczną do 21 000 razy. Przy szybkości nagrzewania rzędu milionów stopni na sekundę pieca można używać do produkcji nowych, twardych stopów; może też być wykorzystywany jako środek do niszczenia odpadów wytwarzanych przez starsze technologie.
Przykładem skupiających kolektorów do zastosowań domowych jest "rura dewara".
Kolektory skupiające wykorzystywane są również w tzw. kuchniach słonecznych służących do przygotowania potraw. Kuchnie takie stosowane są głównie w krajach rozwijających się, ponieważ liczba godzin nasłonecznienia jest w nich zwykle duża.
Powierzchnie odbijające o polu ok. 1 m2 przy nasłonecznieniu 1000 W/m2 (nasze warunki klimatyczne) umożliwiają uzyskanie mocy ok. 500 W.
Najstarsze rozwiązanie kuchni słonecznej stanowi paraboliczny reflektor, w którego ognisku umieszczane jest naczynie do gotowania posiłków. Reflektor paraboliczny wykonany jest często w formie składanego parasola. Masa takie kuchni wynosi ok. 3 kg.
Reflektory muszą mieć dużą zdolność odbijania promieniowania, a ponadto muszą być odporne na korozję.
Sprawność cieplna kolektorów skupiających jest niższa niż kolektorów płaskich ze względu na wyższą temperaturę pracy oraz dodatkowe straty przy pochłanianiu i odbiciu promieni w układach soczewek i luster.Jednak układy te stanowią jedynie rozwiązanie umożliwiające uzyskanie wysokiej temperatury.Tablica 1 Współczynnik odbicia promieniowania słonecznego dla niektórych materiałów
Rodzaj materiału lub powierzchni
| Współczynnik odbicia, % | | Aluminium czyste | 8 | | Aluminium handlowe | 80 | | Chrom | 51 | | Cynk polerowany | 54 | | Duraluminium | 55 | | Konstantan | 64 | | Lustro szklane | 88 | | MiedŹ polerowana | 82 | | Nikiel polerowany | 60 | | Stal | 58 | | Stal chromowana | 54 | | Stal ocynkowana | 64 | | Stal ocynowana | 49 | | Stal posrebrzana | 91 | | Metal srebrzony elektrolitycznie | 96 |
Wadą wielu konstrukcji kolektorów skupiających jest to, że gęstość strumienia energii promieniowania nie jest jednakowa na całej powierzchni pochłaniającej.
Kolektory płaskie.Zadaniem kolektora płaskiego jest zamiana energii promieniowania słońca na użyteczną energię cieplną, przy czym gęstość strumienia tej energii równa jest gęstości strumienia energii promieniowania słonecznego.
Najczęściej kolektor składa się z następujących elementów:
- pokrycia, które musi być przezroczyste dla promieniowania słonecznego; zadaniem pokrycia jest zmniejszenie strat cieplnych do otoczenia oraz ochrona przed wpływami atmosfery,
- płyty pochłaniającej, która stanowi podstawową część kolektora; zadaniem płyty jest pochłanianie energii promieniowania słonecznego i przekazywanie jej czynnikowi roboczemu; istotnym elementem płyty jest warstwa pochłaniająca energię promieniowania słonecznego,
- izolacji cieplnej mającej za zadanie zmniejszenie strat cieplnych przez dolną i boczne ściany kolektora,
- ramy łączącej poszczególne elementy kolektora; zapewnia ona niezbędną wytrzymałość i sztywność konstrukcji kolektora.
Pokrycie kolektorów.
Pokrycie kolektorów wykonywane jest ze szkła zwykłego, hartowanego lub specjalnego, względnie z przezroczystych tworzyw sztucznych odpornych na działanie promieniowania ultrafioletowego.
Stosowane są tworzywa akrylowe (polimetakrylan metylu, tzw. plexi, tworzywa epoksydowe i poliestrowe zbrojone włóknem szklanym i inne).
Pokrycie kolektora powinno mieć odpowiednią wytrzymałość zapewniającą przejęcie obciążeń spowodowanych działaniem wiatru, uderzeniami drobnych zanieczyszczeń naniesionych przez wiatr, uderzeniami deszczu i gradu, parciem śniegu. Pożądane jest, aby wytrzymałość pokrycia wynosiła 750 N/m2. Pokrycie kolektora oraz jego zamocowanie w ramie musi umożliwiać kompensację wydłużeń spowodowanych zmianami temperatury w przedziale -25 á +150°C.
Oczywiście podstawowym wymaganiem w stosunku do materiału pokrycia jest duża przepuszczalność promieniowania, małe zaciemnienie i stabilność barwy. Ponadto materiały stosowane do pokrywania kolektorów charakteryzować się powinny dobrymi właściwościami mechanicznymi (twarda powierzchnia, łatwa obrabialność), dobrą zmywalnością oraz nie powinny tworzyć ładunków elektrostatycznych, (aby na powierzchni nie osadzał się kurz). Pokrycie powinno również zapobiegać wykraplaniu się pary wodnej na powierzchni.
Współczynnik przepuszczalności promieniowania słonecznego, %, dla niektórych, materiałów stosowanych na pokrycie kolektorów (wg badań Uniwersytetu w Grazu)
Materiał
| Grubość w mm | Barwa przełomu materiału | Kąt padania promieni słonecznych | | 90 | 75 | 60 | 45
| 30
| 15 | | Szkło budowlane | 5-6 | Zielona | 80 | 80 | 80 | 77 | 72 | 41 | | Szkło zbrojone | 5-6 | Ciemnozielona | 67 | 67 | 65 | 62 | 56
| 39 | Plexi
| 3
| -
| 90
| 90 | 90 | 85 | 83 | 53 | | Szkło budowlane | 2
| Zielona | 86 | 87 | 85 | 82 | 79 | 52 | | Szkło budowlane | 3
| Zielono oliwkowa | 93 | 91 | 92 | 86
| 84 | 55 | | Szkło budowlane | 4 | Zielono oliwkowa | 87 | 87 | 87 | 86 | 80
| 48 |
| Szkło Antisol E | 5-6 | -
| 54 | 53 | 53 | 49 | 45
| 25 |
W praktyce materiałem najczęściej stosowanym jest szkło.
Kolektory wykorzystywane tylko w okresie letnim mają zwykle pokrycie pojedyncze, a kolektory przeznaczone do pracy całorocznej oraz przystosowane do czynnika roboczego o temperaturze wyższej od 60oC mają pokrycie podwójne.
Przepuszczalność promieniowania słonecznego zależy od kąta padania promieni na płaszczyznę pokrycia i przy kącie mniejszym od 15° bardzo szybko maleje.
W tablicy podano wartości współczynnika przepuszczalności promieniowania, słonecznego dla niektórych materiałów stosowanych do pokrywania kolektorów (wg badań Uniwersytetu w Grazu). Natomiast w tablicy poniżej podano właściwości materiałów, z których wykonywane są pokrycia kolektorów. Grubość pokrycia kolektora związana jest ściśle z niezbędną wytrzymałością, a więc i z wymiarami kolektorów. Przy większych grubościach pokrycia przepuszczalność promieniowania jest oczywiście mniejsza, ale mniejsze jest również względne zacienienie spowodowane ramami. Praktycznie najczęściej spotykane są kolektory o polu powierzchni 1,5á2 m2.
Właściwości materiałów stosowanych do wykonywania pokryć kolektorów słonecznych
| Właściwości | Rodzaj materiału |
| plexi | poliwęglany | poliestry zbrojone
wł. szklanym | szkło budowlane | Współczynnik przepuszczalności
| 89-92 | 82-89 | 77-90 | 86-93 | Grubość w mm
| 3,2 | 3,2 | 1 | 3 | Współczynnik załamania
| 1,48-1,5 | 1,59
| 1,5-1,6
| 1,5 | Gęstość, g/cm3
| 1,17-1,2 | 1,2 | 1,3-1,5 | 2,5 | Współczynnik rozszerzalności liniowej
| 5-9 | 6,6
| 3-4
| 0,8-0,95 | | Nasiąkliwość po 24h | 0,3-0,4 | 0,15 | 0,12-0,16 | -
| Współczynnik przewodności cieplnej
| 0,2-0,25 | 0,2
| 0,21 | 1,15 | Ciepło właściwe
| 1,46 | 1,26
| 1,05
| 0,84 | Trwała odporność cieplna
| 60-93 | 104-132 | 93
| 250 |
Płyty pochłaniające (absorbery).
Płyty pochłaniające wykonywane są ze stali, miedzi, aluminium lub tworzyw sztucznych. Kolektory stalowe, wykonywane są ze stali zwykłej, stali pokrytej galwanicznie lub stali stopowych, najczęściej z tzw. stali nierdzewnych (chromowe, niklowe, molibdenowe).
Kolektory z tworzyw sztucznych wykonywane są najczęściej z polipropylenu, niekiedy z sieciowanego polietylenu, polibutenu lub innych tworzyw o zwiększonej odporności na działanie promieniowania ultrafioletowego, odporność tę zwiększa się za pomocą odpowiednich stabilizatorów.
Najczęściej stosowane jest, więc aluminium, które przy stosunkowo niskiej cenie ma dobre właściwości cieplne, jest odporne na korozję oraz umożliwia chemiczne uszlachetnianie powierzchni za pomocą stosunkowo tanich metod.
Pod względem konstrukcyjnym rozróżnia się dwa typy płyt pochłaniających:
- wykonywane z blachy, do której przymocowana jest wężownica, przez którą przepływa czynnik roboczy,
- złożone z dwóch tłoczonych blach połączonych ze sobą w ten sposób, że między nimi powstaje układ kanałów, przez który przepływa czynnik roboczy.
Gdy mogą być stosowane płyty pochłaniające wykonane ze stali węglowej, to najczęściej wykorzystywane są produkowane masowo grzejniki stalowe płytowe. Masowość produkcji wpływa na znaczne obniżenie ceny jednostkowej płyty, a o jej sprawności decyduje i tak głównie rodzaj powłoki pochłaniającej.
Płyty pochłaniające miedziane wykonywane są najczęściej w postaci wężownicy z rur i blachy stanowiącej żebra.
Płyty pochłaniające aluminiowe wykonywane są za pomocą tzw. metody Rollbond z taśmy aluminiowej. Metoda ta polega na pokryciu powierzchni płyty lakierem metodą napylania, z tym, że powierzchnie kanałów wodnych nie są pokrywane. Na pokrytą farbą taśmę nawalcowuje się drugą taśmę aluminiową, przy czym łączy się ona z pierwszą taśmą z wyjątkiem miejsc nie pokrytych farbą. Następnie taśmy układa się między wyprofilowanymi płytami i hydraulicznie roztłacza się kanały. Płyty zapewniają uzyskanie kanałów o równych przekrojach.
Płyty pochłaniające z tworzyw sztucznych wykonywane są najczęściej jako registry z rurek ułożonych gęsto obok siebie (często liczba rurek przekracza 100).
Przy niskiej temperaturze czynnika roboczego (np. przy bezpośrednim ogrzewaniu wody basenowej w okresie letnim) stosuje się również, kolektory bez pokrycia.
Większe straty ciepła spowodowane wymuszoną konwekcją na skutek wiatru są częściowo kompensowane zmniejszeniem strat wskutek odbicia i pochłaniania promieniowania przez przezroczyste pokrycie. Kolektory takie powinny być osłonięte przed działaniem wiatru. W kolektorach bez pokrycia należy stosować duże natężenia przepływu wody, aby jej podgrzanie było niewielkie (niekiedy mniejsze od 1K). Stosowane są również płyty pochłaniające wykonywane z tworzyw metodą zgrzewania, wytłaczania lub wtrysku.
Jak wspomniano wyżej, materiał płyty pochłaniającej powinien mieć następujące właściwości:
- dobre przewodnictwo cieplne,
- małą gęstość,
- łatwą obrabialność,
- dużą odporność na wpływy atmosferyczne,
- dużą odporność na korozję od strony czynnika roboczego.
O wyborze technologii produkcji decyduje najczęściej jej wielkość.Przy niewielkiej produkcji wykonywanie płyt pochłaniających z wężownicami jest znacznie prostsze.
Kolektory są najczęściej produkowane na ciśnienie 200á300 kPa, a wyjątkowo na 600á700 kPa.
Płyty pochłaniające od strony tylnej i ewentualnie bocznych powinny być zabezpieczone przed korozją. Natomiast czołowa strona płyty pokryta jest warstwą pochłaniającą. Warstwa ta ma bardzo istotny wpływ na uzyskaną moc cieplną i sprawność pochłaniania energii.
Warstwa pochłaniająca musi być przede wszystkim odporna na działanie promieniowania słonecznego i zmianę temperatury oraz musi zabezpieczać materiał płyty przed korozją.
Jednak najważniejszą cechą powłoki kolektora jest jej duża selektywność, to jest duża wartość stosunku współczynnika pochłaniania do współczynnika emisji przy danych długościach fali. Tak, więc współczynnik pochłaniania promieniowania w zakresie fal krótkich do 1500 nm powinien być możliwie duży, a współczynnik emisji powinien być możliwie mały w zakresie fal o długości powyżej 1500 nm.
W tablicy 4 podano wartości współczynników: pochłaniania i emisji oraz selektywności dla różnych powłok stosowanych w technice.
Tablica ta została zestawiona na podstawie materiałów z prac J. A. Duffiego i W. Beckmana, Gilliego, Rana i innych.
| Materiał | Współczynnik pochłaniania
| Współczynnik emisji
| Selektywność | | Aluminium polerowane | 0,38 | 0,027
| 14 | Aluminium utlenione 0,024 mm
| 0,43 | 0,765 | 0,55 | Aluminium utlenione(KMnC>4)
| 0,3 | 0,35
| 2,3 | Aluminium pokryte CuO
| 0,85 | 0,11 | 7,7 | Beton
| 0,9 | 0,6 | 1,5 | Chrom
| 0,35 | 0,41 | 0,85 | Cu-czarne (miedŹ czerniona przez działanie NaOH + NaClO2)
| 0,93 | 0,11 | 8,5 | Czerń chromowa
| 0,98 | 0,14 | 7,0 | Ebanol na miedzi kolorowany na czarno (głównie CuO)
| 0,9 | 0,16 | 5,6 | Farby czarne 3M
| 0,9 | 0,89 | 1,1 | - czarna Parsonsa
| 0,98 | 0,98 | 1 | - szaroczarna
| 0,87 | 0,87 | 1 | - biała akrylowa
| 0,9 | 0,26 | 3,5 | - biała tytanowa
| 0,19 | 0,94 | 0,2 | - biała cynkowa
| 0,92 | 0,12
| 7,7 | MiedŹ polerowana
| 0,036 | 0,35 | 0,1 | Nikiel
| 0,1 | 0,4 | 0,25 | Nikiel czarny zawierający tlenki i siarczki
| 0,92 | 0,11 | 8,4 | Sadza na bazie akrylu jako środka wiążącego
| 0,83 | 0,94 | 0,88 | Tlenki magnezu
| 0,86 | 0,14 | 4,8 | żelazo
| 0,11 | 0,44 | 0,25 |
Wpływ selektywności warstwy pochłaniającej na moc cieplną kolektora rośnie szybko przy wzroście średniej temperatury czynnika roboczego.
Na rysunku wcześniej pokazano (wg badań Ośrodka Badań Nuklearnych w Saclay) wykres zmienności mocy cieplnej kolektorów pokrytych czarnym chromem oraz czarną farbą w zależności od średniej temperatury podgrzewanej wody oraz strat cieplnych tylnej ściany kolektora.
Z wykresu wynika, że uzyskiwana moc cieplna kolektora pokrytego farbą, przy średniej temperaturze wody do ok. 30°C, jest większa niż moc kolektora pokrytego czarnym chromem.
Natomiast przy wyższej temperaturze wody zaznacza się przewaga powłok selektywnych, która szybko rośnie i np. przy średniej temperaturze wody wynoszącej 70°C moc cieplna kolektora z pokryciem selektywnym jest prawie o 50% większa od mocy kolektora pokrytego farbą.
Badania kolektorów z powłoką z farby (3M) oraz z powłoką selektywną (czarny chrom) wykazały, że np. przy różnicy temperatury między czynnikiem roboczym a powietrzem wynoszącej 60 K dla kolektora pokrytego farbą progowa wartość nasłonecznienia wynosi 400 W/m2, natomiast dla kolektora pokrytego czarnym chromem 320 W/m2.
Przy gęstości strumienia ciepła 600 W/m2 moc kolektora selektywnego jest ok. 63% większa od mocy kolektora pokrytego czarną farbą. Powłoki selektywne na bazie związków metali są ok. 50 razy droższe od powłok lakierniczych. Dlatego dobór rodzaju powłoki powinien być poprzedzony analizą ekonomiczną.
Pokrywanie stalowych kolektorów niskotemperaturowych, np. do podgrzewania wody basenowej w lecie, tlenkami metali jest ekonomicznie nieuzasadnione. Tańszym rozwiązaniem jest odpowiednie zwiększenie pola powierzchni kolektorów.
Izolacja cieplna.
Izolacja cieplna ma za zadanie ograniczenie strat ciepła do otoczenia przez tylną i boczne ściany kolektora. Izolacja ta wykonywana jest z wełny mineralnej, waty szklanej, spienionych tworzyw sztucznych itp.
Materiał izolacyjny powinien mieć możliwie mały współczynnik przewodności cieplnej i małą gęstość. Ponadto powinien charakteryzować się odpornością na temperaturę, niezmiennością objętości, odpornością na działanie czynników atmosferycznych, małą nasiąkliwością oraz dużą wytrzymałością mechaniczną.
Duża wytrzymałość mechaniczna materiału izolacyjnego przy małej jego nasiąkliwości pozwala na zrezygnowanie z wykonania dodatkowej tylnej osłony kolektora oraz umożliwia zmniejszenie wymaganej sztywności jego ramy.
Obecnie najbardziej rozpowszechnionym materiałem izolacyjnym jest sztywna pianka poliuretanowa oraz spieniony polistyren. Grubość warstwy materiału izolacyjnego powinna być tak dobrana, aby strumień ciepłą przenikający przez tylną ściankę był dla kolektorów eksploatowanych przez cały rok nie większy od 1 Wm2, natomiast dla kolektorów wykorzystywanych tylko w lecie - od 5 W/m2.
W kolektorach stanowiących integralną część dachu izolacja kolektora może równocześnie stanowić izolację dachu budynku. Sprawność kolektorów zależy w znacznym stopniu od strat ciepła do otoczenia.
Na rysunku obok pokazano sprawność kolektora płaskiego.
 |
|
|
|
napiszcie na czym polega ogrzewanie słoneczne
