Tu jesteś:
| Instalacje solarne |
Promieniowanie słoneczne i jego zamiana na ciepło.W promieniowaniu słonecznym docierającym do powierzchni Ziemi wyróżnia się trzy składowe promieniowania: bezpośrednie, rozproszone i odbite. Promieniowanie bezpośrednie pochodzi od widocznej tarczy słonecznej, a jego kierunek padania jest uzależniony od aktualnej wysokości słońca. Promieniowanie rozproszone powstaje na skutek wielokrotnego załamania na składnikach atmosfery i jest emitowane przez całą sferę. Promieniowanie odbite od najbliższego otoczenia związane jest z występującymi elementami krajobrazu i architektury, które część padającego na nie promieniowania odbijają w kierunku rozpatrywanej powierzchni.Dla oceny spodziewanych efektów eksploatacji słonecznych instalacji grzewczych niezbędna jest znajomość zasobów energii słonecznej , zarówno na płaszczyznach poziomych jak i nachylanych. Szczególnie przydatne są dane dotyczące płaszczyzn o orientacji południowej uznawanej za optymalną dla kolektorów słonecznych. Dla słonecznych instalacji grzewczych bardzo ważny jest rozkład dawek promieniowania w ciągu roku. Na płaszczyznę poziomą w porze ciepłej (kwiecień-październik) pada 80-85% energii całorocznego, natomiast na płaszczyznę eksponowaną w kierunku południowym pod zmiennym okresowo kątem nachylenia -75-80%. Dla porównania pora chłodna (listopad- marzec) charakteryzuje się w Polsce nie tylko niską dawką promieniowania całkowitego, ale także zwiększonym udziałem promieniowania rozproszonego, mniej istotnego w procesie pozyskiwania energii w kolektorach słonecznych. W Polsce preferowane są instalacje słoneczne do podgrzewania wody użytkowej oraz do suszenia płodów rolnych.W tych rozwiązaniach nie stosuje się długookresowej akumulacji energii słonecznej. Dlatego też ważną informacją dla pełnej oceny zasobów energii słonecznej w różnych okresach jest spodziewana liczba dni z dawkami promieniowania przekraczającymi daną wartość progową. Maksymalna dawka dzienna promieniowania płaszczyzny nachylonej może osiągnąć 8,2 kWh /m2 , ale tak sprzyjające warunki atmosferyczne zdarzają się dosyć rzadko.Kolektory są urządzeniami energetycznymi , które zaabsorbowaną energię promieniowania słonecznego przetwarzają w energię cieplną przy pomocy pośredniczącego w tej transformacji medium roboczego. Do podgrzewania wody użytkowej najczęściej wykorzystywane są płaskie kolektory słoneczne. Ich podstawowymi elementami konstrukcyjnymi są: pokrywa -przeźroczysta (zazwyczaj szklana ), absorber - wykonany jako metalowa płyta pokryta powłoką o specjalnych własnościach optycznych, rurociąg cieczowy mocowany do absorbera (czasem stanowiący z nim jedną całość ), izolacja cieplna - znajdująca się pod absorberem oraz obudowa. Do bardziej nowoczesnych, ale też znacznie droższych, konstrukcji należą tubowe kolektory próżniowe, z wyższą sprawnością przetwarzające energię rozproszonego promieniowania słonecznego. Ten typ kolektora składa się z kilku do kilkunastu rur szklanych o wysokiej próżni wewnątrz. W każdą rurę próżniową wbudowany jest absorber z zamocowaną rurką, w której nagrzewa się czynnik roboczy. Próżnia gwarantuje minimalne straty ciepła do otoczenia. Zasada transformacji energii słonecznej w użyteczną formę energii cieplnej jest jednakowa, bez względu na rodzaj i typ kolektora. Opiera się ona na wykorzystaniu własności cieplnych "czarnych" powłok. Szkło i inne pokrywy przezroczyste w wysokim stopniu przepuszczają padające na nie promieniowanie słoneczne. Umieszczony pod pokrywą absorber pochłania (absorbuje) przepuszczone promieniowanie nagrzewając się, a o intensywności procesu absorpcji i nagrzewania decyduje struktura jego powierzchni. Energia cieplna jest odbierana z płyty absorbera rurociągami cieczowymi, w których czynnik roboczy podgrzewa się do temperatury zależnej od intensywności napromienienia słonecznego oraz od natężenia przepływu czynnika. Budowa kolektorów słonecznych Kolektor słoneczny zbudowany jest z następujących elementów:
Kolektory słoneczne można instalować wszędzie, w dowolnej konfiguracji. Mogą być instalowane zarówno na dachu jak i na ziemi - na stojaku. Aby jednak otrzymać najlepsze efekty, warto trzymać się następujących wskazówek:
W instalacjach niskotemperaturowych (np. podgrzewanie wody w basenach w sezonie ciepłym) spotyka się kolektory bez pokrywy czołowej. Mogą one pracować nawet z większą wydajnością cieplną od kolektorów standardowych, wtedy gdy temperatury otoczenia są dość wysokie, a wymagana temperatura podgrzewania nie przekracza 30°C. Sprawność kolektora jest funkcją jego parametrów konstrukcyjnych, (użyte materiały , izolacje termiczne, układ rurociągu), ale także i eksploatacyjnych (wydatek czynnika, promieniowanie, prędkość i kierunek wiatru , obciążenie cieplne). Im wyższe uzyskiwane przyrosty temperatur czynnika, tym niższa sprawność transformacji energii. W kolektorach słonecznych czynnikiem grzewczym może być płyn niezamarzający i powietrze. Kolektory cieczowe budowane są w formie pojedynczych paneli o powierzchni 1,5-2 m2, które łączy się w baterie o dowolnych powierzchniach do 100-200 m2. Montowane mogą być na dachach budynków lub jako instalacje wolno stojące. Kolektory powietrzne buduje się o powierzchniach 50-1000 m2, instalowane są na budynkach (wykorzystywane są tu również dachy budynków kryte blachą, papą itp.), ale mogą być także budowane jako przyścienne, wolno stojące, jak również w postaci rękawów z czarnej folii. Wykorzystywane są one przede wszystkim w produkcji rolniczej w suszarniach zbóż i roślin. Efektywność procesu przekształcania promieniowania słonecznego na ciepło użytkowe zależy od wielu czynników. Przy podejmowaniu decyzji o wyborze kolektora należy zwrócić uwagę przede wszystkim na sprawność proponowanego systemu. Ważne jest, aby kolektor miał wysoki współczynnik absorpcji krótkofalowego promieniowania słonecznego - najlepiej jeśli sięga on wartości 0,95. Drugim współczynnikiem mającym wpływ na sprawność kolektora jest współczynnik emisji, który w zakresie długich fal powinien być z kolei jak najmniejszy np. 0,1. Sprawność kolektorów może sięgać nawet 85 %. W rzeczywistości jednak sprawność zmienia się w zależności do natężenia promieniowania i różnicy temperatur w stosunku do otoczenia. Ilość uzyskanej energii cieplnej zależy głównie od budowy kolektora: zastosowanej izolacji cieplnej, typu powłoki, pojemności cieplnej czy też rodzaju szyb. Straty cieplne, mogą obniżyć sprawność kolektora nawet do 30%. Ich ograniczenie możliwe jest przy zastosowaniu wysokiej klasy, dobrze zaizolowanych kolektorów. Duże znaczenie ma różnica temperatur pomiędzy kolektorem, a otoczeniem. Im jest ona większa tym bardziej wzrastają straty termiczne. Dla kolektorów selektywnych (np. kolektory typu Heat- Pipe) utrata sprawności dla różnicy temperatur 40°C wynosi do 15%. Sprawność kolektorów płaskich, dla tej samej różnicy temperatur, może się zmniejszyć nawet o50%. Również niższe natężenie promieniowania słonecznego obniża sprawność. Przy napromieniowaniu 500 W/m2 (50% napromieniowania maksymalnego) kolektory o wysokiej efektywności osiągają sprawność 65%. Dla kolektorów płaskich jednoszybowych o małej zdolności wychwytywania energii i o niskim współczynniku absorpcji, sprawność może zmaleć nawet poniżej poziomu 10%. Przyjmuje się zwykle, że średnioroczna sprawność całego systemu składającego się z kolektora i instalacji waha się w okolicach 50%. Oznacza to, że w warunkach polskich roczna ilość ciepła wyniesie z 1 m2 około 500 kWh/m2. Instalacja SolarnaInstalacja solarna stanowi zespół dobranych do siebie urządzeń takich jak: kolektory słoneczne, panel sterująco-zabezpieczający i pojemnościowy zasobnik wody użytkowej lub przepływowe wymienniki ciepła. Najprostszą, a zarazem najtańszą instalacją do podgrzewania wody jest instalacja grawitacyjna (termosyfonowa z obiegiem bezpośrednim i pośrednim). W instalacjach grawitacyjnych przepływ czynnika odbywa się samoczynnie wskutek unoszenia do góry cieplejszych mas (o mniejszej gęstości). Taki obieg jest jednocześnie samosterowany, to znaczy intensywność ruchu medium zależy od różnicy temperatur pomiędzy górnymi partiami kolektorów, a dolną częścią zbiornika. Brak pompy i układu automatycznego sterowania to niewątpliwe zalety instalacji grawitacyjnych, które w swojej najprostszej wersji mogą pracować także na terenach pozbawionych zasilania elektroenergetycznego. Jednak warunkiem ich sprawnego funkcjonowania jest odpowiednia konfiguracja. Zbiornik powinien być ustawiony pionowo i umieszczony 30-40 cm powyżej górnej krawędzi kolektorów. W celu minimalizacji oporów hydraulicznych kolektory należy łączyć równolegle, a ponadto ograniczać długość rurociągów, unikać przewężeń ich przekroju i stosować tylko niezbędne załamania. Inną wadą w praktyce spotykanych instalacji grawitacyjnych w wersji z obiegiem bezpośrednim jest wyłączenie z eksploatacji w okresie występowania temperatur ujemnych (w Polsce od 20 października do 30 kwietnia) oraz przyśpieszone zużycie absorbera w kontakcie z wodą wodociągową bądź studzienną. Można wprawdzie zastosować obieg pośredni z niezamarzającym i uzdatnionym czynnikiem, ale wówczas niezbędny wymiennik ciepła stanowi duże opory przepływu i zmniejsza wydajność cieplną takiej instalacji. Bardziej uniwersalne cechy użytkowe posiadają instalacje z aktywnym czyli wymuszonym obiegiem czynnika w układzie kolektory słoneczne-zbiornik akumulacyjny. Obieg czynnika uruchamia zazwyczaj jednofazowa pompa. W rozwiązaniu klasycznym jej pracą steruje regulator różnicowy temperatur. Uruchomienie pompy następuje wtedy, gdy temperatura czynnika mierzona na wylocie z kolektorów przekracza o zadaną wartość temperaturę mierzoną w dolnej części zbiornika akumulacyjnego. Cyrkulacja czynnika trwa do momentu zrównania obu temperatur. Cykl następnie powtarza się jeśli warunki atmosferyczne pozwalają na dalsze podgrzewanie w kolektorach. Na obszarach pozbawionych sieci elektroenergetycznej możliwy jest napęd pompy dzięki energii pozyskiwanej z ogniw fotowoltaicznych. Taki układ charakteryzuje się pewną samosterownością - wydajność pompy jest proporcjonalna do intensywności promieniowania słonecznego ogniwa. Instalacje słoneczne z aktywnym obiegiem kolektorowym mogą podgrzewać wodę bezpośrednio, albo pośrednio. Różnice w konstrukcji i eksploatacji obu tych wersji są istotne z racji ciśnienia panującego w całej instalacji wodnej. Obieg bezpośredni można zastosować jeśli woda nie jest agresywna chemicznie. Wykonanie samodzielne instalacji słonecznej z obiegiem aktywnym bezpośrednim jest możliwe w oparciu o zakupione kolektory słoneczne. Sterowanie pracą słonecznej instalacji grzewczej z obiegiem aktywnym realizowane jest automatycznie. W najprostszej konfiguracji wystarczy odpowiadający za obieg kolektorowy regulator różnicowy temperatur współpracujący z dwoma czujnikami temperatur oraz termostat określający tryb pracy konwencjonalnego segmentu grzewczego. Do sterowania pracą zestawu stosowane są wielozadaniowe regulatory mikroprocesorowe z zestawami czujników, dostosowane do danego rozwiązania. Kolektory najczęściej montowane są na dachach budynków mieszkalnych lub gospodarczych. Najlepiej jeśli znajdują się bezpośrednio nad punktami rozbioru wody (łazienki, kuchnie itp.). Ogranicza się w ten sposób długość rur łączących zmieniając straty energii cieplnej. Oznacza to, że już na etapie projektowania budynku powinna być rozważona ewentualna możliwość budowy instalacji słonecznej, można wówczas odpowiednio zaprojektować układ mieszkania i rozlokować punkty czerpalne ciepłej wody. Dobór ciepłej wody użytkowejPodstawowym problemem w projektowaniu instalacji jest ustalenie pola powierzchni (liczby) kolektorów. Występuje tu oczywisty związek z zapotrzebowaniem energii do realizacji wspomaganego procesu grzewczego. Teoretycznie można rozbudować instalację słoneczną do takich rozmiarów, że przy wykorzystaniu systemu akumulacyjnego możliwe byłoby pokrywanie zapotrzebowania energii w danym procesie w blisko 100%-ach. Nie jest to jednak racjonalne gdyż po przekroczeniu pewnej wartości powierzchni instalacji, każda następna dołączana jednostka ma niewielki udział w efektach energetycznych, podnosząc jedynie koszt inwestycji. Dobór liczby kolektorów wymaga zatem ustalenia jakie jest zapotrzebowanie energii w danym procesie grzewczym oraz określenia uzasadnionego poziomu pokrycia tego zapotrzebowania przez energię słoneczną. Dobór liczby kolektorów opiera się na założeniu, że w okresie letnim mają zapewnić prawie 100% energii potrzebnej do podgrzania wody użytkowej do temperatury 45°C w ilości odpowiadającej dobowemu zużyciu. W przypadku kolektorów płaskich ich łączna powierzchnia powinna wynosić 1,5 - 3,0m2 w przeliczeniu na 100 l-ów dobowego rozbioru ciepłej wody. Zwiększenie liczby kolektorów jest równoznaczne z osiąganiem wyższych temperatur w zbiorniku solarnym, zatem wzrasta udział energii słonecznej w procesie przygotowania ciepłej wody. Jednocześnie spada sprawność pracy kolektorów i całej instalacji słonecznej. W polskich warunkach klimatycznych przekroczenie poziomu 3,5m 2 kolektorów w przeliczeniu na 100 l-ów ciepłej wody, z energetycznego i ekonomicznego punktu widzenia, nie jest wskazane. Powyżej tej granicy przyrost powierzchni instalacji nie daje proporcjonalnych do kosztów efektów cieplnych natomiast redukowanie liczby kolektorów obniża temperaturę pracy instalacji, co poprawia jej sprawność. Jednakże poniżej 1,5 m2 /100dm3 sens przedsięwzięcia jest wątpliwy z racji mało satysfakcjonującego stopnia wspomagania konwencjonalnego ogrzewania. Trzeba więc przyjąć, że przy zastosowaniu kolektorów o powierzchni 3m2 udział energii słonecznej w przygotowaniu 100 l-ów ciepłej wody może wynosić ok. 70% w miesiącach letnich i do 50% w skali roku. Objętość zbiornika akumulacyjnego przyjmuje się na podstawie przeciętnego dobowego rozbioru ciepłej wody w obiekcie. Dla większych instalacji słonecznych o znacznych wahaniach rozbioru zaleca się objętość zbiornika akumulacyjnego odpowiadającą 1,5- krotnemu zapotrzebowaniu. Dobrze zaizolowane zbiorniki ofertowe na rynku wyposażone są w wymienniki płaszczowe, a częściej w rurociągowe wykonane z miedzi albo stali nierdzewnej . Powierzchnia wymiany ciepła w tych wymiennikach wynosi 0,6-1,2m2 na 100 l-ów pojemności zbiornika, co dla konstrukcji rurowej oznacza 10-20mb/ 100 l . W celu szybkiego dobrania rozmiarów instalacji słonecznych korzysta się z uproszczonych algorytmów obliczeniowych lub nomogramów. Producenci opracowują je na podstawie wyników symulacji komputerowych z wykorzystaniem programów szczegółowo opisujących wymianę ciepła w kolektorach i zbiornikach w warunkach nasłonecznienia o typowym dla rozpatrywanej lokalizacji przebiegu i dla standardowych harmonogramów rozbioru ciepłej wody. Istnieje szereg czynników warunkujących opłacalność wdrażania słonecznych systemów grzewczych. Jednym z najważniejszych jest wielkość zasobów energii słonecznej, zarówno w kontekście pewnego zróżnicowania na terenie Polski jak też w zależności od kierunku kąta i ekspozycji. Drugim bardzo istotnym dla potencjalnych inwestorów warunkiem powodzenia przedsięwzięcia jest właściwy wybór obiektu, w którym słoneczny system grzewczy ma być zastosowany. Przede wszystkim trzeba rozstrzygnąć jaki nośnik energii będzie zastępowany energią słoneczną. Najbardziej atrakcyjnym wydaje się wspomaganie instalacji grzewczych o najwyższych kosztach wytwarzania energii cieplnej. Po analizie kosztów wytwarzania ciepła z konwencjonalnych nośników należy ustalić jaką wydajność osiągnie wspomagająca instalacja słoneczna. Precyzyjne podanie spodziewanych efektów nie jest łatwe, zależą one bowiem od wielu czynników związanych z konkretnym wdrożeniem. Ostrożnie trzeba traktować wyliczenia zamieszczane w materiałach reklamowych, które są naturalnie dość optymistyczne.Na pewno nie do przyjęcia są sugestie odnośnie możliwości wykorzystania 800- 1000kWh z 1-go m2 powierzchni kolektorów w ciągu roku. Realne natomiast są zapowiedzi oszczędności na poziomie 500-700 kWh.
|
