Chłodzenie słoneczne w warunkach polskich

Energia promieniowania słonecznego od tysięcy lat służyła ludziom do suszenia żywności i ubrań, ogrzewania czy rozniecania ognia.

Energetyka słoneczna opiera się obecnie przede wszystkim na zaawansowanych systemach wykorzystujących zjawiska konwersji fotowoltaicznej i fototermicznej – energia pozyskiwana jest za pomocą układów fotowoltaicznych (PV) do produkcji energii elektrycznej albo do produkcji ciepła w systemach pasywnych lub aktywnych. 

Przeważnie stosowane są instalacje z kolektorami słonecznymi, gdzie generowane ciepło wykorzystuje się przede wszystkim do zasilania instalacji wody użytkowej lub w mniejszym stopniu wspomagająco w systemach centralnego ogrzewania.

Według oficjalnych raportów i prognoz w najbliższych latach dynamicznie rozwijać się będzie również rynek chłodnictwa, a tym samym mało dotąd znany rynek nowoczesnych systemów słonecznych wykorzystywanych do zasilenia urządzeń klimatyzacyjnych.

W przypadku omawianych systemów zachodzi następująca koherencja: największe natężenie promieniowania słonecznego występuje w letnie gorące dni, tj. właśnie wtedy, gdy jest największe zapotrzebowanie na chłód w sektorze mieszkalnictwa oraz publicznym. Stanowi to ogromną zaletę tego typu rozwiązań technologicznych. Przyczynią się one bowiem do obniżenia zapotrzebowania na energię elektryczną do chłodzenia, zwiększą niezależność energetyczną użytkowników, a także będą stanowiły kolejny krok w spełnianiu wymagań UE dotyczących zużycia energii i ograniczania emisji spalin [1].

Praktyka wskazuje, że w Polsce w instalacjach z kolektorami słonecznymi w okresie letnim wytwarzane jest nadmiarowe i jednocześnie szkodliwe dla instalacji ciepło, które można wykorzystać jako źródło energii do napędu chłodziarki absorpcyjnej. Jednakże wymaga to podwyższenia temperatury czynnika roboczego pochodzącego z kolektorów słonecznych. W praktyce z kolektorów otrzymuje się jedynie ciepło o niskiej temperaturze. Na rys. 1 widać, że aby układ chłodziarki absorpcyjnej pracował z wysoką efektywnością, konieczne jest zastosowanie dodatkowego źródła ciepła.

W opisywanych w literaturze naukowej przykładach systemów chłodzenia słonecznego wykorzystywane są zazwyczaj kotły gazowe i na paliwo stałe lub grzałki elektryczne [2–3, 5–6].

Podwyższenie temperatury medium roboczego do wymaganych wartości możliwe jest również poprzez skupienie promieniowania słonecznego za pomocą koncentratorów promieniowania słonecznego lub różnego rodzaju soczewek, np. Fresnela [7]. Zastosowanie układów optycznych pozwala na skonstruowanie systemu w pełni opartego na odnawialnym źródle energii, jakim jest promieniowanie słoneczne.

Hybrydowy system słoneczny do produkcji ciepła wysokotemperaturowego

W ramach projektu prowadzone były badania nad możliwościami wykorzystania skoncentrowanego promieniowania słonecznego w połączeniu z klasyczną instalacją kolektorów słonecznych do produkcji chłodu w okresie jego największego zapotrzebowania. Instalacja składała się z dwóch płaskich kolektorów słonecznych połączonych ze zbiornikiem buforowym o pojemności 150 l (rys. 2).

System rozbudowano o paraboliczny koncentrator promieniowania słonecznego (fot. 1), który podgrzewa czynnik roboczy pomiędzy kolektorami słonecznymi a zbiornikiem. Ze względów bezpieczeństwa instalacja wyposażona jest w chłodnicę wentylatorową, która dodatkowo pozwala na wykonywanie długotrwałych badań bez obawy o przegrzanie instalacji kolektorów i zbiornika wody użytkowej. System współpracuje z chłodziarką absorpcyjną.

Natomiast na fot. 1 - po lewej przedstawiono układ kolektory – koncentrator oraz odbiornik wysokotemperaturowy w trakcie przygotowania. Odbiornik w pierwszej wersji stanowiła zwinięta spiralnie rurka miedziana o średnicy wewnętrznej ok. 1 cm zatopiona w aluminium (fot. 1 - po prawej). Powierzchnia absorpcyjna, na którą pada skupione promieniowanie słoneczne, pokryta jest czarna farbą kominkową.

Układ koncentratora śledzi położenie Słońca za pomocą algorytmu astronomicznego i jest napędzany dwoma siłownikami liniowymi. Rozwiązanie to pozwala na zmianę kąta azymutu i elewacji w zależności od położenia geograficznego oraz pory dnia i roku. System wyposażony jest w szereg czujników temperatury oraz czujnik ciśnienia i rotametr.

Praca systemu pomiarowego oparta jest na programowalnym sterowniku logicznym, który służy również jako narzędzie do płynnego sterowania wydajnością pompy obiegowej oraz chłodnicy wentylatorowej.

Ze względu na wysoką temperaturę w okresie letnim czynnikiem roboczym jest olej termiczny. Jednym z najważniejszych elementów układu jest odbiornik wysokotemperaturowego ciepła umieszczony w obszarze skoncentrowanego promieniowania słonecznego.

Koncentrator promieniowania słonecznego zbudowany jest z dwóch elementów skupiających: czaszy wyklejonej dwuwarstwową folią refleksyjną (średnica 1,8 m) oraz osadzonym na niej lustrze o promieniu 0,6 m.

Omawiany system ma dwa ogniska skupienia promieni (w odległości 70 i 85 cm od powierzchni lustra), co wynika z różnej geometrii elementów skupiających oraz z faktu, że lustro umocowano jest ok. 2 cm od powierzchni czaszy. Taki układ dwóch elementów koncentrujących promieniowanie wymaga przeprowadzenia optymalizacji położenia odbiornika względem płaszczyzn odbijających.

Optymalizację taką przeprowadzono za pomocą oprogramowania śledzącego bieg promieni świetlnych (tzw. Ray-tracing). Wykorzystano tu oprogramowanie TracePro [8]. Wyniki symulacji dla optymalnego położenia odbiornika przedstawiono na rys. 3 [9].

Odległość 77 cm okazała się optymalna – uzyskano skupienie promieniowania na całym obszarze odbiornika, również natężenie promieniowania w środku odbiornika jest dopuszczalne ze względu na możliwość lokalnego obioru ciepła [10].

Na podstawie przytoczonych analiz widać, że poziom wejściowego natężenia promieniowania słonecznego równy 1000 W/m² pozwala osiągnąć na odbiorniku wysokotemperaturowym średnie natężenie promieniowania równe 20 kW/m². W ten sposób można osiągnąć dwudziestokrotną koncentrację promieniowania.

Pokazano również, że istnieje możliwość ogrzania oleju nawet do ponad 300°C przy przepływie 0,2 m/s, a ok. 160°C przy przepływie 0,4 m/s. W ten sposób wyznaczono relację pomiędzy natężeniem promieniowania słonecznego, wielkością przepływu medium a przyrostem temperatury medium wysokotemperaturowego. Badania wykonano za pomocą oprogramowania typu CFD przy zastosowaniu pakietu Ansys. Przykładowy wynik modelowania – przyrost temperatury oleju – pokazano na rys. 4.

Badania systemu helioenergetycznego w okresie zimowym

W zimie 2015 roku przeprowadzono badania możliwości zwiększenia temperatury czynnika roboczego wychodzącego z kolektorów słonecznych za pomocą koncentratora. Wyniki zaprezentowano na rys. 5. Warunkiem koniecznym jest przeprowadzenie pomiaru w słoneczny, bezchmurny dzień, tak aby występowała przewaga promieniowania bezpośredniego.

Pomiary przeprowadzono przy różnej wydajności pompy obiegowej (wykorzystywano pompę o mocy nominalnej silnika równej 370 W), tak że przedstawione wartości temperatur otrzymano przy czterech różnych prędkościach przepływu oleju – zaprezentowano wyniki dla pracy pompy z wydajnością:

• A – 100% (ok. 7 l/min),
• B – 80% (ok. 5,5 l/min),
• C – 70% (ok. 4,5 l/min),
• D – 60% (ok. 3,5 l/min).

Widać wyraźnie, jak zmiana przepływu wpływa na zmianę temperatury czynnika roboczego. Przy maksymalnej wydajności pompy temperatura oleju na wyjściu z układu wynosiła ok. 48°C, natomiast zmniejszenie przepływu do ok. 3,5 l/min spowodowało, że temperatura podniosła się niemal o 20°C.

Jednym z najistotniejszych parametrów z punktu widzenia badań nad możliwością wykorzystania omawianego układu do produkcji chłodu jest różnica temperatury medium między kolektorami słonecznymi a koncentratorem promieniowania słonecznego. We wstępnych badaniach nad systemem układ koncentrujący promieniowanie słoneczne zwiększył temperaturę oleju, ale w niewielkim stopniu.

Najmniejszą różnicę temperatury, tj. ok 1,8°C, otrzymano przy maksymalnej wydajności pompy, średnią, ok. 2,1°C, w trakcie gdy pompa pracowała na 80% swojej maksymalnej mocy, natomiast największą średnią różnicę temperatury, na poziomie ok. 2,4°C, odnotowano, gdy pompa pracowała na 70 i 60% swojej mocy maksymalnej.

Należy mieć jednak na uwadze, że badania prowadzone były w zimie, gdy temperatura powietrza wynosiła średnio około 3°C (szara krzywa na rys. 5). Ponadto wykorzystywany w badaniach odbiornik wysokotemperaturowego ciepła nie był pokryty materiałem izolacyjnym i tym samym następowało znaczne oddawanie ciepła do otoczenia. Otrzymane wyniki są jednak satysfakcjonujące, gdyż widać, że pomimo dużych strat ciepła układ koncentrujący podniósł nieco temperaturę gorącego oleju. Pomijając chłodzenie słoneczne, ma to znaczenie również w zimie, gdyż umożliwia efektywniejszą pracę systemu kolektorowego do przygotowania c.w.u., a nawet wspomaganie pracy systemu c.o. Wyniki te stanowią podstawę do kontynuowania badań z wykorzystaniem zoptymalizowanego układu.

W przyszłych pracach planowana jest przede wszystkim optymalizacja samego odbiornika wysokotemperaturowego ciepła – wykonanie izolacji, poprawa właściwości powierzchni absorpcyjnej, zmiana geometrii zewnętrznej i wewnętrznej odbiornika. Zmiany te umożliwią wysoką sprawność konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło oraz wysoką efektywność jego odbioru.

Analiza pracy chłodziarki absorpcyjnej

W celu dokładnego przeanalizowania pracy chłodziarki absorpcyjnej współpracującej z układem generacji medium wysokotemperaturowego wykonano szereg symulacji istotnych parametrów pracy chłodziarki, tj. sprawności termodynamicznej i współczynnika COP dla wybranych warunków zasilania i otoczenia. Analizowano układ chłodziarki absorpcyjnej przedstawiony na rys. 6.

Wyniki analizy dla typowych danych uzyskiwanych w układzie badawczym przedstawiono na rys. 7. Badano sprawność pracy urządzenia w zależności od temperatury medium podawanego z układu solarnego na układ desorbera (generatora), oznaczonej jako temperatura generatora.

Analiza uwzględniała temperaturę absorbera i kolektora, parownika i otoczenia. Przeprowadzono również analizę dla zmiennej sprawności wymiennika ciepła.

Z rys. 7 wynika, że dla analizowanych warunków pracy, tj. dla temperatury otoczenia równej 30°C i przy uzyskiwaniu temperatury parownika 4°C (tak aby zapewnić odpowiednią temperaturę wody lodowej w obiegu chłodzącym), temperatury absorbera są o co najmniej kilka stopni (5–10°C) wyższe od temperatury otoczenia.

Przy zastosowaniu chłodni wentylatorowej w obiegu wody chłodzącej nie ma możliwości uzyskania niższej temperatury (możliwe jest to przy zastosowaniu dodatkowych zraszaczy itp., ale w praktyce może to być problematyczne). Zatem dla badanego w tym układzie rozkładu temperatur w upalny dzień należy przyjąć, że praca chłodziarki zaczyna się po uzyskaniu temperatury medium roboczego ok. 80°C, natomiast odpowiednią sprawność termodynamiczną i współczynnik COP uzyskuje się przy temperaturze 85–90°C i ten zakres temperatury medium został ustalony jako optymalny dla temperatury otoczenia 30°C.

Oczywiście zmiany temperatury otoczenia czy możliwość pewnej regulacji temperatury parownika skutkują inną wymaganą temperaturą medium roboczego (ciepła napędowego). Zakresy te zostały ustalone w badaniach i wprowadzone do odpowiedniego sterownika.

Wnioski

W okresie letnim istnieje duże zapotrzebowanie na chłód, który standardowo wytwarza się za pomocą kosztownej energii elektrycznej. Jednocześnie użytkownicy kolektorów słonecznych borykają się z problemem przegrzewania się instalacji ze względu na wysokie natężenie promieniowania słonecznego i zmniejszone zapotrzebowanie na ciepło.

Ponieważ zachodzi tutaj koherencja – największa produkcja ciepła z kolektorów słonecznych odbywa się w letnie gorące miesiące, czyli wtedy, gdy największe jest również zapotrzebowanie na chłód – zaproponowano wykorzystanie kolektorów słonecznych do zasilenia chłodziarki sorpcyjnej.

Żeby układ pracował z wysoką efektywnością, system rozbudowano o koncentrator promieniowania słonecznego pozwalający na podwyższenie temperatury czynnika roboczego. Medium o wysokiej temperaturze jest niezbędne do uzyskania wysokich wartości współczynnika COP chłodziarki absorpcyjnej.

Wyniki badań przedstawione w artykule wskazują na możliwość wykorzystania układu hybrydowego – połączenia klasycznych kolektorów z układem skupiającym światło słoneczne do generacji ciepła wysokotemperaturowego dla produkcji chłodu.

Pomimo niskiej temperatury powietrza atmosferycznego udało się podnieść o kilka stopni temperaturę czynnika roboczego wychodzącego z kolektorów słonecznych za pomocą nieizolowanego wymiennika ciepła. W przyszłych pracach należy jednak dążyć do poprawy układu poprzez m.in. ulepszenie odbiornika czy dobór odpowiedniego przepływu medium roboczego.

Dążąc do optymalizacji układu, wskazane jest prowadzenie symulacji komputerowych pozwalających na obserwację przebiegu promieni oraz rozkładu natężenia promieniowania słonecznego na wybranych powierzchniach układu oraz obserwację zmian temperatury, ciśnień i przepływu wewnątrz wysokotemperaturowego odbiornika ciepła.

***

Artykuł powstał dzięki dofinansowaniu ze środków z Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Podkarpackiego 2007–2013, Działanie 1.3 „Regionalny system innowacji” w ramach projektu „Badania nad wykorzystaniem skoncentrowanego promieniowania słonecznego do chłodzenia pomieszczeń”

Literatura

1.  Bożek E., Zdunek M., Nowoczesne systemy chłodnicze zasilane skoncentrowanym promieniowaniem słonecznym, [w:] „Bezpieczeństwo energetyczne – rynki surowców i energii (ed. 2014): energetyka w czasach politycznej niestabilności”, Kwiatkiewicz P. et al. (red.), Fundacja na rzecz Czystej Energii, Poznań 2015, s. 687–694.
2. Balghouthi M., Chahbani M.H., Guizani A., Investigation of a solar cooling installation in Tunisia, „Applied Energy” Vol. 98, 2012, p. 138–148.
3. Gebreslassie B.H., Guillen-Gosalbez G., Jimenez L., Boer D., Solar assisted absorption cooling cycles for reduction of global warming: A multi-objective optimization approach, „Solar Energy” Vol. 86, 2012, p. 2083–2094.
4.  Critoph R.E., Solar thermal cooling technologies, „Polska Energetyka Słoneczna” nr 1–4/2009, s. 14–19.
5. Kuczyńska A., Szaflik W., Absorption and adsorption chillers applied to air conditioning systems, „Archives of Thermodynamics” Vol. 31, No. 2/2010, p. 77–94.
6. Technical specification of WFC-S.C. YAZAKI absorption chiller.
7.  Ning X., Jie J., Wei S. et al., Outdoor performance analysis of a 1090x point-focus Fresnel high concentrator photovoltaic/thermal system with triple-junction solar cells.
8. www.lambdares.com.
9. Bożek E., Szubel M., The numerical model of the high temperature receiver of the concentrated solar radiation, SDEWES 2015
10. conference on Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems, September 27–October 2, 2015, Dubrovnik, Croatia.Bożek E., Filipowicz M., Wykorzystanie techniki śledzenia promienia do modelowania wysokotemperaturowych układów helioenergetycznych, „Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury” t. 32, z. 62, nr 2/2015, s. 19–28.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!