Budowa i działanie powietrznego kolektora słonecznego w warunkach klimatycznych Polski

Możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego do wytworzenia energii cieplnej są wciąż aktualnym zagadnieniem, ponieważ zasoby paliw kopalnianych wyczerpują się [1, 2] i dążymy do ograniczenia ich wykorzystania z uwagi na emisję spalin powodującą zmiany klimatyczne. Kwestia ta jest szczególnie aktualna i ważna w przypadku niewielkich obiektów o powierzchni zewnętrznej, na którą pada energia słoneczna całkowicie wystarczająca na ich potrzeby energetyczne – domów jednorodzinnych. Powietrzne kolektory słoneczne są tanie w budowie i eksploatacji, mogą być wykorzystywane do ogrzewania, osuszania, wentylacji i podgrzewania ciepłej wody. Na podstawie badań wprowadzane są nowe rozwiązania w ich budowie.

Prowadzone są analizy numeryczne [15] i modelowanie z wykorzystaniem funkcji Greena [16] do badań w zakresie przepływu, wymiany ciepła i konstrukcji kolektorów płaskich. Obecnie analizie poddaje się kolektory z płytami pochłaniającymi ciepło [17] lub z absorberem składającym się z pojemników wypełnionych materiałem podlegającym przemianie fazowej [18]. Celem tych badań jest zapewnienie jak najwyższej sprawności wymiany ciepła i minimalizacja kosztów budowy kolektorów powietrznych. W artykule przedstawiono wyniki badań po­wietrznego kolektora słonecznego zbudowanego przez autorkę we własnym zakresie podczas stażu praktycznego w przedsiębiorstwie.

Czytaj też: Dofinansowanie OZE dla inwestorów indywidualnych >>

Istota konwersji promieniowania słonecznego w warunkach Polski

Słońce jest podstawowym źródłem energii docierającej do Ziemi. Moc przez nie wypromieniowywaną można określić z prawa Stefana–Boltzmanna. Prawo to [6] określa całkowitą moc wypromieniowywaną przez ciało doskonale czarne w danej temperaturze:

(1)

gdzie:

Φ – strumień energii wypromieniowywany z jednostki powierzchni ciała, W/m2;

σ – stała Stefana–Boltzmanna;

T – temperatura w skali Kelvina.

Promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez Słońce ma szerokie spektrum długości fali, od ok. 0,2 do 2,5 µm, i w zależności od tej długości niesie w sobie zróżnicowaną ilość energii. Natężenie promieniowania dla ciała doskonale czarnego w zależności od częstotliwości fali określa prawo Plancka [4] i można je wyrazić wzorem:

 (2)

gdzie: 

I(f) – radiancja spektralna (natężenie promieniowania na zadaną jednostkę częstotliwości);

h – stała Plancka, równa 6,626 · 10–34, J · s;

T – temperatura bezwzględna (w skali Kelvina) ciała doskonale czarnego;

c – prędkość światła (w próżni);

k – stała Boltzmanna;

f – częstotliwość promieniowania (dla której liczymy natężenie).

Zależność natężenia promieniowania od długości fali dla ciała doskonale czarnego określić można przez tzw. rozkład Plancka. Dla promieniowania słonecznego wykres zależności natężenia promieniowania od długości fali pokazano na rys. 1.

Na wykresie przedstawiono widmo promieniowania słonecznego docierającego do granicy atmosfery ziemskiej i promieniowania docierającego na powierzchnię Ziemi. Tylko część promieniowania, o wartości od 350 do ok. 750 nm, to zakres światła widzialnego. 46% energii promieniowania przypada na promieniowanie widzialne, reszta na podczerwień (47%) i ultrafiolet (7%). Energia słoneczna w formie promieniowania słonecznego dociera do granicy atmosfery ziemskiej. Moc promieniowania na tym poziomie wynosi ok. 1,39 kW/m2, ulega niewielkim zmianom i określana jest również jako stała słoneczna. Na rys. 2 przedstawiono straty promieniowania słonecznego oraz promieniowanie docierające do Ziemi.

Odbicie, absorpcja i rozproszenie promieniowania w warstwie atmosfery powoduje, że do Ziemi w warunkach bezchmurnego nieba dociera na poziomą powierzchnię promieniowanie bezpośrednie o średniej mocy ok. 1 kW/m2. Moc promieniowania słonecznego na powierzchni Ziemi zależy także od położenia Słońca względem zenitu, co wiąże się z grubością atmosfery, przez którą to promieniowanie jest absorbowane. Wielkość straty energii promieniowania słonecznego w atmosferze ziemskiej w wyniku różnego kąta padania definiowana jest współczynnikiem AM (Air Mass). Współczynnik AM określony jest przez iloraz długości ścieżki promieniowania optycznego L przechodzącego przez atmosferę ziemską i długości ścieżki L0 w zenicie. Współczynnik masy powietrza może być użyty w celu scharakteryzowania widma słonecznego po przejściu promieniowania słonecznego przez atmosferę. Współczynnik masy powietrza jest powszechnie stosowany do opisu wydajności ogniw słonecznych w warunkach znormalizowanych i jest często określany za pomocą składowej AM, po której następuje liczba, np. AM1,5 [9].

(3)

Na rys. 4 przedstawiono średnie wartości całkowitego promieniowania słonecznego w Polsce. Zmiany wartości mocy promieniowania słonecznego zależą, jak już wspomniano, także od warunków atmosferycznych panujących w danym momencie na określonym obszarze. Dla bezchmurnego nieba moc promieniowania słonecznego może wynosić do 1000 W/m2, a w pochmurny zimowy dzień wartość ta spada do ok. 50 W/m2. W Polsce usłonecznienie wynosi od 1300 do 1900 godz./rok.

Na rys. 5 w formie graficznej przedstawiono wartości promieniowania słonecznego docierającego do Ziemi. Rozkład promieniowania słonecznego w znacznym stopniu zależy od pory roku i warunków atmosferycznych – ok. 80% rocznej wartości nasłonecznienia przypada na okres od kwietnia do września.

Czytaj też: Kolektory słoneczne: rodzaje i działanie - przegląd produktów >>

Powietrzne kolektory słoneczne – budowa i zasada działania

Znanych jest kilka rodzajów powietrznych kolektorów słonecznych. Różnią się budową, ale ich zasada działania jest podobna. Kolektory słoneczne składają się z obudowy z absorberem, przykrycia przezroczystego obudowy i ewentualnie izolacji cieplnej. Najważniejszym elementem kolektora jest absorber. W kolektorach powietrznych energia promieniowania słonecznego przekazywana jest do absorbera, od którego ogrzewa się przepływające w nim powietrze. Powietrzne kolektory słoneczne mają szereg zalet, takich jak brak możliwości zamarzania czynnika roboczego, możliwość bezpośredniego użycia czynnika roboczego do ogrzania pomieszczeń oraz szybkość działania. Mogą być zbudowane jako odkryte, w których promieniowanie słoneczne pada bezpośrednio na absorber, oraz zakryte, z absorberem znajdującym się pod przezroczystą osłoną. Strumień powietrza w zależności od budowy kolektora może przepływać nad absorberem lub pod nim, a w kolektorach bardziej rozbudowanych nad i pod absorberem lub przez absorber. W kolektorach o nowych rozwiązaniach strumień powietrza przepływa przez specjalnie wyprofilowane kanały [3]. Wyróżniamy kanały o przekroju prostokątnym, trójkątnym, lub owalnym. Absorber może być płaski, chropowaty lub porowaty, dzięki czemu znacznie wzrasta powierzchnia i sprawność wymiany ciepła między absorberem a przepływającym powietrzem.

Na rys. 6 przedstawiono schemat budowy i zasadę działania kolektora powietrznego. W przypadku absorberów perforowanych, z dużą liczbą niewielkich otworów, przez które zasysane jest powietrze, uzyskuje się dobry kontakt powietrza z absorberem, co powoduje podwyższenie sprawności.

Powietrzne kolektory słoneczne charakteryzują się dużą sprawnością przetwarzania energii słonecznej na energię cieplną [1, 3], a czynnikiem roboczym jest w nich powietrze. Na rys. 7 przedstawiono sprawność różnych rodzajów kolektorów słonecznych.

W temperaturach typowych dla klimatu na Ziemi powietrze jest niepodatne na zmiany fazowe, dlatego eksploatacja kolektorów powietrznych nie powoduje trudności związanych ze zmianami temperatury. Jednocześnie powietrze ogrzane w kolektorze może być używane do ogrzania obiektu bezpośrednio, bez czynników pośrednich. Wykorzystanie przepływu ciepłego powietrza z kolektora może także zapewnić bardzo dobrą wentylację odpowiednich pomieszczeń. Niewątpliwą zaletą kolektorów powietrznych jest łatwe sterowanie strumieniem powietrza, możliwość szybkiej zmiany temperatury oraz monitorowania stanu termodynamicznego pomieszczeń.

Parametry badanego słonecznego kolektora powietrznego Na potrzeby badań zbudowano powietrzny kolektor słoneczny o wymiarach 2700×1400×150 mm z absorberem z blachy aluminiowej o wymiarach 2500×1250 mm, o całkowitej powierzchni czynnej wynoszącej 3,125 m2. Założono jak najniższe koszty wykonania, absorber pokryto obustronnie czarną matową farbą, a skrzynię kolektora wykonano z drewna. Izolację termiczną ściany tylnej i ścianek bocznych wykonano z warstw czarnego filcu wewnątrz i styropianu na zewnątrz. Pokrycie ściany przedniej wykonano ze szkła o grubości 4 mm. Absorber z blachy umieszczono w odległości 25 mm od ścianki tylnej kolektora i 30 mm od osłony ze szkła, tak aby powietrze mogło opływać i odbierać ciepło z obu stron absorbera. Do wymuszenia przepływu powietrza w kolektorze wykorzystano dwa wentylatory 9G180 NMB o napięciu 12 V i natężeniu prądu 1,34 A, zasilane z ogniwa fotowoltaicznego o napięciu 12 V i mocy 25 W. Aby nie komplikować konstrukcji kolektora i nie zwiększać kosztów jego wykonania, zrezygnowano z układu automatyki sterowania prędkością przepływu powietrza. Przy wzro­ście napromieniowania rośnie temperatura powietrza w kolektorze, jednocześnie zwiększa się napięcie zasilania wentylatorów i przepływ powietrza. Dzięki takiemu rozwiązaniu nie jest konieczny montaż dodatkowego zasilania w energię elektryczną. Założono, że chłodne powietrze będzie pobierane z budynku, a następnie ogrzane wracało do niego, wlot chłodnego i wylot ogrzanego powietrza zlokalizowano z tej samej strony kolektora. Szkic kolektora i schemat przepływu powietrza przedstawiono na rys. 8.

Czytaj też: Jak działa węzeł cieplny? >>

Badania

Słoneczny kolektor powietrzny zaproponowany przez autorkę do wykonania w trakcie wspomnianego stażu jest zbliżony pod względem projektu i budowy do kolektora opracowanego i przebadanego przez autorkę wcześniej [14]. Krótki termin stażu nie pozwolił na przeprowadzenie i opracowanie pełnych badań tego kolektora. Aby przybliżyć możliwe do osiągnięcia parametry urządzenia wykonanego w czasie stażu, poniżej przedstawiono część wyników badań z kolektora o zbliżonych parametrach opracowanego wcześniej przez autora [14]. Żeby prześledzić zmiany napromieniowania, temperatury ogrzanego powietrza i strumień energii z kolektora, przedstawiono je w formie graficznej (rys. 9).

Chłodne powietrze, przepływając przez kolektor powietrzny, jest ogrzewane w wyniku działania pro­mieniowania słonecznego i wzrasta jego temperatura oraz entalpia. Znając strumień masy m przepływającego przez kolektor powietrza i wzrost entalpi ∆h, możemy określić strumień energii e.

(4)

Znając strumień energii e, powierzchnię czynną kolektora Sk i napromieniowanie słoneczne, możemy określić wydajność energetyczną kolektora η.

(5) 

W przypadku słonecznego kolektora powietrznego prostego w budowie i wykonanego z możliwie tanich materiałów uzyskano wydajność rzędu 50%, co należy uznać za dobry wynik.

Podsumowanie 

Kolektory wytwarzane przez znanych producentów, np. Solar Venti Ltd. [10], osiągają wydajność powyżej 70% (model SV30 Air). W najnowszych konstrukcjach kolektorów powietrznych (technologia solarna Solhotair) osiągana jest sprawność powyżej 80%. Wyniki analizy kolektora badanego w warunkach północnej Polski pokazują, że można uzyskać wysoką wydajność przy stosunkowo prostej i niedrogiej konstrukcji. W przypadku kolektora wykonanego we własnym zakresie uzyskano maksymalną wydajność bliską 50%, co należy uznać za dobry wynik. Kolektory powietrzne mogą współpracować z instalacją wentylacyjną budynku lub stanowić urządzenia działające autonomicznie, wyposażone są wówczas w wentylator zapewniający obieg powietrza, a czasem również w autonomiczny system zasilania opierający się na ogniwach PV.

Wykorzystanie w tej instalacji ogniwa fotowoltaicznego sprawia, że kolektor załącza się automatycznie, gdy tylko zaświeci Słońce. Możliwe jest wyposażenie kolektora w układ regulacji pracy wentylatora i temperatury dostarczanego powietrza. Kolektor słoneczny zapewnia całkowicie darmowy nawiew świeżego i ciepłego powietrza, które może być używane bezpośrednio do celów grzewczych budynku, bez czynników pośrednich. Wykorzystanie przepływu ciepłego powietrza z kolektora może także zapewnić bardzo dobrą wentylację i osuszanie odpowiednich pomieszczeń. Niewątpliwą zaletą kolektorów powietrznych jest łatwość sterowania strumieniem powietrza, szybkiej zmiany temperatury oraz monitorowania stanu termodynamicznego pomieszczeń. Powietrzne kolektory słoneczne mogą być dobrym rozwiązaniem dla domów jednorodzinnych i domków rekreacyjnych, kiedy podczas nieobecności mieszkańców pomieszczenia będzie ciągle wentylowane i ogrzewane, co całkowicie ogranicza rozwój pleśni i grzybów oraz eliminuje nieprzyjemny zapach wilgoci. 

Ilość energii cieplnej dostarczonej z kolektorów powietrznych zależy od ilości promieniowania słonecznego dostępnego w sezonie grzewczym na danym obszarze. Kolektory słoneczne dobrze sprawdzają się jako urządzenia wspomagające główny układ grzewczy, na przykład gazowy. Od jesieni do wiosny dodatkowa energia z kolektorów powietrznych pozwala zmniejszyć koszty ponoszone na ogrzewanie budynków.

Publikacja powstała w wyniku odbycia przez ­autorkę stażu w przedsiębiorstwie „Produkcja, Usługi i Handel w branży metalowej – Zygmunt Kraska”, współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego ­Funduszu Społecznego (Program Operacyjny ­Wiedza Edukacja Rozwój), zrealizowanego w projekcie Program Rozwojowy Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w ­Olsztynie (POWR.03.05.00-00-Z310/17)

Literatura

1. Smolec Włodzimierz, Fototermiczna konwersja energii słonecznej, PWN, Warszawa 2000.
2. Timilsina Govinda R., Kurdgelashvili Lado, Narbel Patrick A., A review of solar energy; Markets, economics and policies, World Bank Policy Research Working Paper No. 5845, „Soc. Sci. Res. Netw.”, 2011.
3. Maier Marcus, GetSolar software, version 10.1.1. 21.12.2009.
4. https://pl.wikipedia.org/wiki/Prawo_Plancka.
5. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/ 4/4c/Solar_Spectrum.png.
6. https://pl.wikipedia.org/wiki/Prawo_Stefana-Boltzmanna.
7. http://www.instsani.pl/401/zasoby-energii-slonecznej.
8. https://en.wikipedia.org/wiki/Air_mass_(solar_energy).
9. https://www.newport.com/t/introduction-to-solar-radiation.
10. http://www.galileaenergy.com/kolektory-powietrzne-systemy-solar-venti.php.
11. www.energosol.pl/energia_slonca.html.
12. Fieducik Jolanta, Godlewski Jan, Analiza możliwości wykorzystania słonecznych kolektorów powietrznych do ogrzewania domów jednorodzinnych oraz podgrzewania wody, „Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury”, 2014, 61 (3/II), s. 133–142.
13. Fieducik Jolanta, Godlewski Jan, The low energy house using an air solar collector – a case study, „Czasopismo Techniczne. Budownictwo”, 2014 (3-B), p. 99–105.
14. Fieducik Jolanta, The use of solar radiation for generating heat in a solar air collector in northern Poland (2019, w druku).
15. Tzu-Chen Hung, Tsung-Jie Huang, Duen-Sheng Lee, Chih-HungLin, Bau-Shei Pei, Zeng-YaoLi, Numerical analysis and experimental validation of heat transfer characteristic for flat-plate solar air collector, „Applied Thermal Engineering”, 111 (2017).
16. Ali Grine, Radjouh Asma, Harmand Souad, Analytical modelling using Green’s functions of heat transfer in a flat solar air collector „Solar Energy”, 105 (2014).
17. Shuhui Xu, Haiguang Dong, Heat transfer characteristics study on solar air collector of heat-absorbing plate with holes, „World Automation Congress Proceedings”, art. no. 6321398 (2012).
18. Charvat Pavel, Pech Ondrej, Hejcik Jiri, Experimental investigations of the performance of a solar air collector with latent heat thermal storage integrated with the solar absorber, „EPJ Web of Conferences”, 45, art. no. 01127 (2013).
19. http://www.praze.pl/UserFiles/Image/zdjecia%20do%20OZE/polska.jpg.
20. Neupauer Krzysztof, Magiera Janusz, Analiza sprawności kolektorów słonecznych różnych typów, „Czasopismo Techniczne. Chemia” 1-Ch/2009, Zeszyt 4.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!