Korzystanie z witryny oznacza zgodę na wykorzystywanie plików cookie, z których niektóre mogą być już zapisane w folderze przeglądarki.
Więcej informacji w Polityce plików cookies.

License Key Error.
[Running in limited mode] [Help]

October
M T W T F S S
1 2 3 4 5 6 7
8 9 10 11 12 13 14
15 16 17 18 19 20 21
22 23 24 25 26 27 28
29 30 31        
             
LogoLogo

KOLEKTORY SŁONECZNE

W Ośrodku szkoleniowo badawczym w Ostoi zainstalowano 6 kolektorów słonecznych płaskich Vitosol 100F - SH 1 firmy Viessmann o łącznej powierzchni czynnej 13,98 m2 (Fot 1.)

 

Fot. 1 Zestaw kolektorów słonecznych (Vitosol 100 F) zainstalowanych w Ośrodku Szkoleniowo - Badawczym

w Ostoi. Fot. Dariusz Szyszka

 

Kolektory zainstalowano na płaskim dachu budynku, przy zastosowaniu konstrukcji aluminiowej pozwalającej na ustawienie kolektorów pod kątem 42,5 o w kierunku południowym. Jest to najbardziej korzystny kąt nachylenia na naszej szerokości geograficznej w okresie letnim, w okresie zimowym kąt ten powinien wynosić około 70 o. Łączna moc kolektorów przy intensywnym nasłonecznieniu w okresie letnim może wynosić dać energię nawet 11 kWh w ciągu godziny, energia ta transportowana jest do zbiorników wody użytkowej, znajdujących się w piwnicy budynku. Czynnikiem roboczym stosowanym w instalacji jest ERGOLID roztwór glikolu etylenowego. Ciepło po przeniknięciu do glikolu, transportowane jest rurociągiem do wężownicy wewnętrznej znajdującej się w zbiorniku, za pomocą której odbywa się przenikanie ciepła z glikolu poprzez ścianki wężownicy od otaczającej jej wody.

 

Rys 1. Schemat instalacji solarnej

 

Każdy z zainstalowanych zbiorników ma objętość 500 l, w sumie możliwe jest magazynowanie 1 m3 wody dla celów użytkowych, której temperatura powinna zawierać się w zakresie od 38 do 50 ºC.

Istnieją dwie możliwości dostarczania ciepła do wody w zbiornikach, do zbiornika oznaczonego numerem 1 jest dostarczana jest w wężownicy woda transportujący ciepło z pompy ciepła, która pracuje głównie w okresie zimowym dostarczając ciepło na potrzeby centralnego ogrzewania, jednocześnie dogrzewając wodę w zbiornikach, kiedy natężenie promieniowania słonecznego jest zbyt niskie aby ogrzać wodę. W okresie letnim w czasie pochmurnych dni, woda dogrzewana jest również pompą ciepła. Decydując się na zainstalowanie instalacji kolektorów słonecznych należy pamiętać, iż o ile w okresie letnim są one w stanie zapewnić tyle ciepła aby pokryć nasze potrzeby, o tyle w czasie pochmurnych dni, konieczne jest korzystanie z dodatkowego źródła ciepła dogrzewającego wodę. Może to być instalacja pompy ciepła, piec gazowy czy grzałka elektryczna.

Ciepło pochodzące z kolektorów słonecznych transportowane jest na wężownicą umieszczoną w zbiorniku numer 2, czynnik o wyższej temperaturze podawany jest na górną część wężownicy, gdzie przepływając w dół, wymienia ciepło w przeciwprądzie poruszającej się wodzie w zbiorniku, w wyniku konwekcji. Konwekcja sprawia że ciepła woda unosi się samoistnie ku górze, zimniejsza pozostaje w dolnych warstwach zbiornika. Wyjście ciepłej wody użytkowej podpisane na Rys 1, odbywa się z górnej części zbiornika, w przypadku nagrzania wody w zbiorniku powyżej ustawionej temperatury (50 ºC) następuje cyrkulacja wody pomiędzy zbiornikami za pomocą rurociągu wyrównującego, pozwalającego na przepływ wody zimniejszej do zbiornika w którym dostarczane jest ciepło, woda cieplejsze przepływa w tym wypadku do zbiornika pełniącego funkcję bufora.

W okresie zimowym woda zimna powinna być doprowadzana do zbiornika 2, kiedy to mimo niskiego natężenie promieniowania słonecznego, można uzyskać podgrzanie wody o kilka stopni. Ciepło to pochodzi praktycznie z darmowego źródła, natomiast dalsze dogrzewanie wody do żądanej temperatury następuje już w zbiorniku 1 poprzez pompę ciepła. W okresie zimowym cyrkulacje cieczy pomiędzy zbiornikami nie jest wskazana ze względów ekonomicznych.

W obiegu instalacji solarnej znajduje się około 40 litrów glikolu z czego około 19,6 litra znajduje się z rurociągach, ponad 6,5 litra mieszczą w sobie same kolektory, a reszta znajduje się w zbiorniku wyrównawczym nie zaznaczonym na rysunku. Pompa pompuje glikol tylko wtedy jeżeli jego temperatura na wyjściu z kolektorów jest o wyższa niż temperatura na wejściu do kolektorów, oraz gdy jest to temperatura wyższa niż temperatura wody znajdującej się w zbiorniku, proces ten jest w pełni zautomatyzowany. Jak widać na Rys 1. natężenie przepływu glikolu wynosi ok. 550 l/h co oznacza, że czas potrzebny na przepłyniecie przez kolektor zajmuje około 40 sekund, a różnica temperatur w tym przypadku wynosi 43,2 - 36,9 = 6,3 ºC, można łatwo policzyć znając ciepło właściwe glikolu ile ciepła uzyskujemy z instalacji solarnej w przeciągu godziny przy założeniu utrzymania się stałego nasłonecznienia. Ciepło właściwe ERGOLIDU (roztworu na bazie glikolu) wynosi 3380 J/(kg K) przeliczmy więc:

gdzie :

Q - ilość uzyskanego ciepła w przeciągu godziny [kWh]

Cp - ciepło właściwe dla glikolu J/(kg K)

V - objętościowe natężenie przepływu [m3/s]

ρ - gęstość glikolu [kg/m3]

Tp, Tk - Temperatura początkowa i końcowa [ºC, K]

 

 

 

Z dachu, gdzie zainstalowano kolektory do miejsca docelowego, a więc zbiorników glikol przebywa rurociągiem około 20 metrów, tracąc w tym momencie ciepło, ciepło to jest tracone również w drodze z bufora do kolektora, ponieważ temperatura czynnika cały czas w czasie pracy instalacji jest wyższa niż temperatura otoczenia,a wiec powietrza w budynku. Straty ciepła w przeciągu godziny przedstawiają się następująco:

 

 

 

gdzie :

Qstr.z.S - strata ciepła na drodze nośnika z solara do wężownicy w zbiorniku [W]; Qstr.z.S - strata ciepła na drodze powrotnej nośnika po przejściu przez wężownicę [W]; L - długość rurociągu [m]; λ - współczynnik przewodzenia ciepła dla materiału izolacyjnego (pianka polimerowa lub wełna mineralna 0,04 [W / m K] dla grubości 2 cm); dzezIz, d wewIz - średnica wewnętrznej i zewnętrznej izolacji [mm]; ∆Tz, ∆Td - różnica temperatur pomiędzy czynnikiem roboczym transportowanym w kierunku wężownicy i w drodze powrotnej [K]

 

 

 

Oznacza to że straty ciepła na zaizolowanych rurociągach wynoszą około 170 W w ciągu godziny, na zainstalowanej instalacji w Ośrodku, strata ta zależeć będzie oczywiście od temperatury, jeżeli temperatura wyjściowa z kolektorów będzie wynosić 67 stopni, a temperatura na powrocie 54 stopnie to straty będą wynosić 340 Wh, a wiec ponad dwukrotnie więcej, taka różnica temperatur występuje jednak przy bardzo dobrym nasłonecznieniu, średnio można przyjąć straty na poziomie około 200 W w ciągu godziny pracy instalacji. Straty ciepła występują również poprzez izolację samego zbiornika. W przypadku 2 zbiorników zainstalowanych w ośrodku straty wynoszą około 3 kWh w ciągu doby.

Dla przykładu, jeżeli ciepły glikol wprowadzali byśmy do zbiornika buforowego o pojemności załóżmy 100 l wody o temperaturze początkowej 14 ºC i pominiemy straty oraz bezwładność ciepła wody w zbiorniku to w przeciągu godziny temperatura w zbiorniku będzie wynosić:

 

gdzie:

Qstr w ciągu jednej godziny wynosi 166W + ciepło tracone przez zbiornik 100 litrowy zaizolowany 20W co łącznie daje 186W.

 

 

 

Tk=33,9oC

Jak widać z prostego obliczenia przy średnim nasłonecznieniu można uzyskać w przeciągu godziny ponad 3 kWh ciepła, co pozwoli na ogrzanie 100 litrów wody do temperatury 40 stopni w ciągu godziny, słonce w miesiącach letnich jest w stanie grzać nawet do 9 godzin w ciągu dnia, jeżeli mamy kolektory zainstalowane na stałe. Uzyskane ciepło w okresie nasłonecznienia magazynowane jest w zbiornikach przedstawionych na Fot 2. Podgrzana woda może być użytkowana przez całą dobę, gdyż izolacja cieplna zbiorników, oraz system zapobiegający transportowania ciepłego czynnika roboczego na instalacje solarną zapobiega wystudzeniu zbiorników wody użytkowej.

 

Fot 2 Zbiorniki wody użytkowej, system rurociągów transportowych dla cieplej i zimnej wody, a także glikolu. Fot Dariusz Szyszka

 

W Ośrodku zbierane są dane z pracy zainstalowanych urządzeń, także kolektorów zapisując temperaturę wody w zbiornikach, temperaturę glikolu na wejściu do kolektorów i na wyjściu z kolektorów, a także natężenie przepływu czynnika grzewczego, w odstępie co 1 sekunda. Na poniższych wykresach przedstawiono oraz przeanalizowano wybrany miesiąc pracy instalacji.

Analizę przeprowadzono dla miesiąca maja oraz pierwszych 13 dni czerwca. W większości dni, w okresie lata można powiedzieć, że kolektory są w stanie zaopatrzyć instalację ciepłej wody użytkowej w ciepło pokrywając zapotrzebowanie od kwietnia to końca września, a czasem jeszcze w październiku.

 

Rys. 2 Temperatura wody w zbiornikach buforowych dla ciepłej wody użytkowej (●),różnica temperatur dla glikolu wchodzącego i opuszczającego kolektory słoneczne(▲).

Średnia temperatura wody w zbiornikach magazynowych po okresie nocy w miesiącu maju 2009 roku wynosiła 36,7 ºC a średnia różnica temperatur czynnika grzewczego kształtowała się na poziomie 6,54 ºC, tak więc już od godzin porannych nasza instalacja kolektorów słonecznych jest w stanie dostarczać 3,73 kWh ciepła w przeciągu godziny.

 

Rys. 3 Temperatura wody w zbiornikach buforowych dla ciepłej wody użytkowej (●),różnica temperatur dla glikolu wchodzącego i opuszczającego kolektory słoneczne(▲), dla godzin południowych.

Z przedstawionych danych na Rys. 3 wyliczono, że średnia temperatura wody w zbiornikach magazynowych w południe, w miesiącu maju 2009 roku wynosiła 41,3 ºC, a różnica temperatur czynnika grzewczego kształtowała się na poziomie 11,22 ºC, w godzinach południowych, kolektory są w stanie dostarczyć najwięcej energii: 6,41 kWh ciepła w przeciągu godziny.

 

Rys. 4 Temperatura wody w zbiornikach buforowych dla ciepłej wody użytkowej (●) o godzinie 19:00 w stosunku do temperatury wody w tych zbiornikach

o godzinie 9 :00 (▲).

Jak widać zmagazynowana energia promieniowania słonecznego w postaci ciepła jest w stanie zapewnić ciepłą wodę na potrzeby użytkowe w miesiącu maju.

W pierwszych 13 dni ciepła pełna analiza uzyskanego ciepła z instalacji solarnej przedstawia się następująco:

 

Rys. 5 Ilość uzyskanego całkowitego ciepła z instalacji solarnej (▲), ilość ciepła po odliczeniu strat przy transporcie oraz strat zbiornika (■).

Kolorem zielonym zaznaczono czystą zieloną energię, uzyskaną z kolektorów po odjęciu strat na transport, oraz magazynowanie ciepła, po z sumowaniu uzyskano w przeciągu 1/3 miesiąca 270,011 kWh ciepła, straty wyniosły około 54 kWh oznacza to, że zainstalowana instalacja w przeciągu 1/3 miesiąca, przy aż 3 całkowicie nie słonecznych dniach dostarczyła 216 kWh ciepła. Przemnażając ten wynik dla całego miesiąca jesteśmy w stanie uzyskać średnio 648 kWh ciepła z instalacji solarnej. Gdybyśmy chcieli uzyskać tą ilość ciepła w sposób tradycyjny ogrzewając wodę za pomocą elektryczność potrzebowalibyśmy zużyć 720 kWh energii elektrycznej, co przy obecnych cenach energii 0,47 groszy za kWh kosztowało by nas 338 zł i przyczyniło by się do wyprodukowania 640 kg CO2. Korzystając z energii gazu ziemnego potrzebujemy jeszcze więcej ciepła ze względu na mniejszą sprawność jego przekazywania (860 kWh) co prowadzi do powstania emisji 311 kg CO2. Aby uzyskać tą energię należy spalić około 86,4 m3 gazu ziemnego, przy jego obecnej cenie z opłatami przesyłowymi 1,48 zł/m3 daje nam 127,87 zł.

Stosując więc instalacje kolektorów słonecznych przyczyniamy się w znacznym stopniu do ochrony o środowisko naturalne, nie przyczyniając się do coraz silniej pogłębiającego się efektu cieplarnianego, dbając również o własną kieszeń, 338 zł za grzanie wody prądem elektrycznym i 127,87 zł przy ogrzewaniu wody gazem.

Instalacja solarna będzie służyć długie lata, zwraca się całkowicie w przeciągu 3-4 lat, pozwala na zaspokojenie naszych potrzeb związanych z ciepłą wodą, pozwala także na znaczącą redukcję emisji gazów cieplarnianych, co jest niezmiernie ważne, bo pozwala na ochronę naszego środowiska, które utracimy nie chroniąc go, a wtedy bardzo szybko się przekonamy że nie można jeść pieniędzy, tak więc instalacja solarna może być pewnością polecona jako doskonałe źródło ciepła w naszym domu.

Na dwóch kolejnych wykresach przedstawiony został optymalny czas kiedy kolektory powinny rozpoczynać swoją pracę, a także podzielić się doświadczeniami, kiedy należy instalację zaprogramować na wyłączenie.

 

Rys. 6 Czas włączenia pompy instalacji solarnej dla poszczególnych dni.

 

Rys. 7 Wartość nasłonecznienia słonecznego [W/m2] w dniach pomiarów, w momencie startu pracy solarów (▲), pomiędzy godziną 9 a 12 (●), pomiędzy godziną 7 a 12 (■), czerwone krzyżyki na białym tle oznaczają wartość maksymalnego nasłonecznienia miedzy 7 a 12.

 

Jak widać kolektory rozpoczynają swoją pracę około godziny 8, przy wartości napromieniowania około 200 W / m2, jest to już wystarczająca ilość aby przy powierzchni 14 m2 uzyskiwać ciepło, automat steruje ruchem pompy na podstawie różnicy temperatur czynnika roboczego na wejściu i wyjściu.

Jak dobrać instalację

Instalacje solarną dobieramy w zależności od ilości mieszkańców, ich zapotrzebowania na wodę, za zwyczaj na 4 osobową rodzinę wystarcza 250 litrowy zbiornik oraz dwa kolektory słoneczne o powierzchni absorbującej 4 m2 w razie pytań odnośnie doboru instalacji proszę o kontakt.

Typy kolektorów słonecznych

Kolektory możemy podzielić na kolektory płaskie i kolektory próżniowe, próżniowe charakteryzują się większym uzyskiem energii w porównaniu z kolektorami płaskimi o około 30 % , sprawdzają się one również o wiele lepiej w okresie zimowym i przejściowym, kiedy to istnieje duża różnica temperatury zewnętrznej do temperatury czynnika roboczego oraz małe nasłonecznienie, próżnia okazuje się w tedy doskonałym izolatorem.

W okresie letnim osiągane temperatury i wydajność jest lepsza w przypadku kolektorów płaskich. Warto wspomnieć, że kolektor próżniowy wymaga większej powierzchni całkowitej kolektora, aby uzyskać tą samą moc co kolektor płaski, który jednocześnie jest najczęściej stosowanym kolektorem w Polsce ze względu na cenę.

W razie pytań, lub uwag na temat opracowania kolektorów proszę o kontakt mailowy dariusz.szyszka@zut.edu.pl

Budowa strony www współfinansowana ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu INTERREG IIIA Polska (Województwo Zachodniopomorskie) - Meklemburgia Pomorze Przednie / Brandenburgia.
Tlo