Projektowanie

instalacji solarnych

Sam wysokowartościowy

kolektor słoneczny nie

zagwarantuje jeszcze

optymalnej eksploatacji całej

instalacji. Istotne jest tu raczej

kompletne rozwiązanie

systemowe

Prawidłowo zaprojektowane instalacje kolektorów słonecznych z wzajemnie

zharmonizowanymi komponentami systemowymi powinny pokryć ok. 50 do 60%

całorocznego zapotrzebowania energii na podgrzew c.w.u. w domu jedno-lub

dwurodzinnym.

Kolektor

Parametry geometryczne

kolektora

Dane techniczne kolektora

Temperatura postojowa - Jest to temperatura występująca

w najcieplejszym miejscu kolektora, jeżeli nie zachodzi

odbiór ciepła, przy 1000W globalnego natężenia

promieniowania.

Potwierdzenie zgodności

• Kolektory spełniają wymagania symbolu ochrony

środowiska „Błękitny Anioł” wg RAL UZ 73.

• Sprawdzony zgodnie ze znakiem Solar-KEYMARK.

• Oznaczenie CE zgodnie z istniejącymi dyrektywami UE

Wpływ orientacji i pochylenia

kolektora na uzysk energii

Ustawienie kolektora w przestrzeni

Wpływ orientacji i pochylenia kolektora

na uzysk energii cd. Kąt nachylenia α

Kąt nachylenia a jest kątem między poziomem a

powierzchnią kolektora słonecznego. Przy montażu na

dachu spadzistym kąt nachylenia narzucony jest przez

nachylenie połaci dachu. Największą ilość energii

absorber może wchłonąć wtedy, gdy płaszczyzna

kolektora jest prostopadła do kierunku promieniowania

słonecznego.

Azymut

Azymut określa odchylenie płaszczyzny kolektora od

kierunku południowego; przy płaszczyźnie kolektora

zorientowanej na południe azymut = 0°. Ponieważ

napromieniowanie jest najintensywniejsze w porze

południowej, kolektor winien być zorientowany możliwie

na południe. Dobre wyniki uzyskuje się jednak także przy

odchyłkach azymutu do 45° na wschód lub zachód.

Konieczność większych odchyleń można skompensować

niewielkim zwiększeniem powierzchni kolektorów.

Kąt padania promieni słonecznych w zależności od pory roku

a) Kąt padania promieni słonecznych w zależności od szerokości geograficznej

b) Kąt padania promieni słonecznych uwzględniający szerokość geograficzną w

zależności od pory roku

Zysk ciepła dla różnych kątów ustawienia kolektora

w zależności od pory roku

Wpływ orientacji i pochylenia kolektora

na uzysk energii Instalacja kolektorów słonecznych w Polsce, zorientowana w kierunku południowym, z

nachyleniem ok. 30-40° do poziomu, zapewnia w przekroju rocznym najwyższe uzyski

energii. Ale nawet przy wyraźnych odstępstwach od takiego ustawienia (południowy

wschód do południowego zachodu, nachylenie 25 – 70°) zmniejszenie napromienienia

jest nieznaczne dla możliwości zastosowania kolektorów słonecznych.

Wpływ orientacji i pochylenia kolektora

na uzysk energii cd.

Bardziej płaskie położenie jest korzystne, jeśli powierzchni kolektora nie można

zorientować na południe. Tak więc instalacja kolektorów słonecznych z nachyleniem

kolektorów 30° nawet przy orientacji 45° na wschód lub zachód od południa,

zapewnia jeszcze uzysk równy prawie 95% uzysku optymalnego. Nawet przy

orientacji wschodniej lub zachodniej uzysk sięga do 85%, jeśli nachylenie dachu

mieści się w granicach 25 – 40°.

Korzyścią z bardziej stromego ustawienia powierzchni kolektora jest bardziej

równomierne zaopatrzenie w energię w skali roku. Należy jednak unikać kątów

nachylenia mniejszych od 20°, gdyż wtedy nasila się zanieczyszczenie pokrycia

kolektora.

Wpływ orientacji i

pochylenia kolektora

na uzysk energii cd.

Uzysk energii zmienia się w zależności od

miejsca i sposobu montażu kolektorów

słonecznych. Dach pochyły po stronie

południowej zapewnia największy uzysk

energii. Dach po stronie wschodniej lub

zachodniej zapewnia już tylko 80% tego

uzysku.

W zależności od zakresu stosowania

instalacji solarnej zaleca się następujące

optymalne kąty nachylenia:

■ Instalacja solarna do podgrzewu wody

użytkowej od 30 do 45° - Taki mały kąt

nachylenia uwzględnia wysokie położenie

słońca w lecie.

■ Instalacja solarna wspomagająca

ogrzewanie pomieszczeń od 45 do 60° - Przy

uwzględnieniu niskiego położenia słońca w

okresach przejściowych i w zimie. Poprzez

świadomy wybór dużego kąta nachylenia w

lecie uzyskuje się skrócenie okresów

stagnacji.

Współczynniki

korekcyjne

Wpływ orientacji i pochylenia kolektora

na uzysk energii cd. W celu uzyskania tej samej wydajności co z kierunku południowego, powierzchnię

płaskiego kolektora słonecznego należy powiększyć o odpowiednie współczynniki

korekcyjne. Z analizy rysunku wynika, że odchylenie kolektora od kierunku

południowego w kierunku zachodnim jest korzystniejsze niż odchylenie w kierunku

wschodnim.

Współczynniki korekcyjne

dla płaskich kolektorów

słonecznych w zależności

od kierunku świata.

Wpływ orientacji i pochylenia kolektora

na uzysk energii cd. Polska znajduje się w szerokości geograficznej równej około 50°. Kąt padania promieni

słonecznych dla tej szerokości zmienia się o ok. +/- 23°, dlatego kąt nachylenia

kolektora słonecznego powinien zmieniać się w granicach od 27 do 73°. I tak, dla okresu

jesienno-zimowego kąt nachylenia kolektora powinien być wyższy (ok. 60°) niż w

okresie wiosenno-letnim (ok. 30°), natomiast optymalny kąt w okresie jego całorocznej

eksploatacji powinien wynosić ok. 40°. W przypadku innej wartości należy zwiększyć

powierzchnię kolektora płaskiego o odpowiednie współczynniki korekcyjne.

Sprawność kolektorów

Sprawność

kolektorów Współczynnik sprawności

kolektora określa, jaka część

promieniowania słonecznego

padająca na powierzchnię czynną

absorbera lub inną powierzchnię

odniesienia zamieniana jest na

użytkową moc cieplną.

Współczynnik sprawności zależy od

stanu roboczego kolektora. Część

promieniowania słonecznego

docierającego do kolektorów jest

„tracona” na skutek odbić i

absorpcji. Sprawność optyczna η0

uwzględnia te straty.

Sumę promieniowania bezpośredniego i rozproszonego nazywa się

promieniowaniem całkowitym Eg. W optymalnych warunkach (bezchmurne

niebo, przejrzyste powietrze, pora południowa) wynosi ono maksymalnie do ok.

1000 W/m2.

Przede wszystkim zależy od różnicy temperatur powierzchni kolektora i otoczenia

Sprawność kolektorów cd.

Kolektory przy nagrzewaniu się oddają ciepło otoczeniu przez

przenikanie cieplne, promieniowanie i konwekcję (ruch powietrza). Straty te

uwzględniają współczynniki strat k1 i k2. Zależne są one od różnicy temperatur

pomiędzy absorberem a otoczeniem.

Charakterystyki

współczynnika sprawności

Charakterystyki współczynnika sprawności pokazują

optymalne zakresy zastosowania kolektorów. Im bardziej

rośnie temperatura kolektora, tym większe są straty ciepła i

tym mniejszy jest współczynnik sprawności. Na podstawie

charakterystyk współczynnika sprawności można odczytać

typowe obszary robocze kolektora. Z tego wynikają

możliwości zastosowania kolektora. W trakcie nagrzewania

się kolektor oddaje ciepło do otoczenia przez zachodzące

procesy przewodzenia ciepła, przenikania cieplnego i

konwekcji. Straty te uwzględnione są poprzez współczynniki

strat ciepła k1 i k2 .

Charakterystyki współczynnika sprawności pokazują optymalne zakresy zastosowania kolektorów.

Im bardziej rośnie temperatura kolektora, tym większe są straty ciepła i tym mniejszy jest

współczynnik sprawności. Na podstawie charakterystyk współczynnika sprawności można

odczytać typowe obszary robocze kolektora. Z tego wynikają możliwości zastosowania kolektora.

Typowe obszary robocze:

1 Instalacja solarna ciepłej wody użytkowej przy niskim stopniu pokrycia zapotrzebowania

2 Instalacja solarna ciepłej wody użytkowej przy wysokim stopniu pokrycia zapotrzebowania

3 Instalacja solarna ciepłej wody użytkowej i wspomagania ogrzewania pomieszczeń

4 Instalacja solarna ciepła technologicznego/klimatyzacji

Współczynniki strat ciepła i sprawność optyczna

wyznaczają charakterystykę sprawności kolektora,

którą można obliczyć z równania:

Obok istniejącego do dyspozycji miejsca i warunków zabudowy,

oraz innych uwarunkowań (np. długie okresy stagnacji dla budynków

szkolnych), czynnikiem decydującym o wyborze typu kolektora jest

zakładana w projekcie różnica temperatur pomiędzy średnią temperaturą

kolektora a temperaturą otoczenia. Wpływa ona bowiem na sprawność

kolektora. Im wyższa jest temperatura robocza kolektora, tym wyższa jest

osiągana moc i tym samym uzysk energii z próżniowych kolektorów

rurowych w stosunku do kolektorów płaskich.

Na sprawność kolektora słonecznego decydujący wpływ mają poszczególne elementy

konstrukcyjne, a w szczególności właściwości przesłony przezroczystej absorbera oraz

skuteczność izolacji cieplnej w danych warunkach atmosferycznych. Sprawność

całkowitą kolektora słonecznego opisuje zależność:

Energia promieniowania słonecznego padająca na powierzchnię kolektora

słonecznego pomniejszona jest o jego straty optyczne oraz straty cieplne. Straty

optyczne są wynikiem pochłaniania i odbijania promieniowania słonecznego przez

osłonę przezroczystą kolektora, natomiast straty cieplne są wynikiem wymiany ciepła

między absorberem a otoczeniem i ściśle zależą od różnicy temperatur ΔT między

temperaturą absorbera Tabs i temperaturą otoczenia To. Im większa jest różnica tych

temperatur, tym większe straty ciepła generuje kolektor słoneczny. W przypadku gdy

temperatura absorbera jest równa temperaturze otoczenia, wyrażenie τα jest równe

sprawności kolektora τα = η i nosi nazwę sprawności optycznej ηo

Sprawność całkowita kolektora słonecznego

Jednym z najważniejszych parametrów opisujących cechy konstrukcyjne kolektora

słonecznego jest wartość progowa natężenia promieniowania słonecznego Ismin, przy

której kolektor słoneczny zaczyna gromadzić energię cieplną. Wartość ta jest ściśle

zależna od różnicy temperatur ΔT między temperaturą absorbera Tabs i temperaturą

otoczenia To. Im wartość ta jest wyższa, tym kolektor słoneczny generuje większe

straty ciepła do otoczenia, a w konsekwencji tego zmienia się jego wartość progowa

Ismin. Wartość progową natężenia promieniowania słonecznego Ismin opisuje

zależność:

Zespół pompowy

(stacja pompowa)

Kompletna stacja pompowa umożliwia łatwe i

nieskomplikowane podłączenie wszystkich

elementów zabezpieczających oraz

regulacyjnych instalacji słonecznej. Składa się

ona z następujących elementów :

• pompy obiegu solarnego, odpornej na

działanie wysokich temperatur (1);

• zaworu bezpieczeństwa (3);

• manometru (7);

• zaworów kulowych (2) na przewodzie

zasilającym (Z) i powrotnym (P) obiegu

solarnego wraz ze zintegrowanymi

termometrami (2);

• separatora powietrza (6);

• rotametru do pomiaru i regulacji przepływu

strumienia płynu solarnego (4);

• króćca do podłączenia naczynia

wzbiorczego (8);

• zaworów do napełniania instalacji słonecznej

płynem niezamarzającym (5).

Zasobniki solarne

W zależności od sposobu ładowania zasobników solarnych wyróżnia się: zasobniki

ładowane pojemnościowo za pomocą wężownicy solarnej oraz zasobniki ładowane

warstwowo za pomocą syfonu termicznego. W zasobnikach ładowanych

pojemnościowo cała objętość wody w zasobniku podgrzewana jest równomiernie do

określonej temperatury, natomiast w zasobnikach z syfonem termicznym –

warstwowo od góry zasobnika

1 – anoda magnezowa, 2 – izolacja cieplna, 3 – wylot ciepłej wody, 4 – zbiornik zasobnika, 5 –

górny wymiennik ciepła (rurowe powierzchnie wymiany ciepła) dla konwencjonalnego

dogrzewania wody pitnej w zasobniku przez kocioł grzewczy, 6 – solarny wymiennik ciepła

(rurowe powierzchnie wymiany ciepła), 7 – wlot zimnej wody.

Biwalentne pojemnościowe podgrzewacze c.w.u.

Warstwowy sposób podgrzewania wody w zasobnikach powodowane jest tym, że

wymienniki solarne w zasobnikach ogrzewają jedynie małą objętość wody do

temperatury zbliżonej do poziomu temperatury zasilania systemu solarnego. Podgrzana

woda przemieszcza się ku górze w rurze odprowadzającej ciepło, osiągając poziom, z

którego może być pobierana przez odbiorców. Przy normalnym promieniowaniu

słonecznym w bardzo krótkim czasie w przestrzeni w oków wężownicy, zostaje

osiągnięta stosunkowo wysoka temperatury wody.

1 – anoda magnezowa, 2 – izolacja cieplna, 3 – wylot ciepłej wody, 4 – zbiornik zasobnika, 5 –

górny wymiennik ciepła (rurowe powierzchnie wymiany ciepła) dla konwencjonalnego

dogrzewania wody pitnej w zasobniku przez kocioł grzewczy, 6 – rura odprowadzająca ciepłą

wodę, 7 – klapa grawitacyjna, 8 – solarny wymiennik ciepła (rurowe powierzchnie wymiany

ciepła).

systemy ładowania warstwowego i układy multiwalentne

Zasobniki ładowane pojemnościowo za pomocą wężownicy solarnej oraz zasobniki

ładowane warstwowo za pomocą syfonu termicznego

Układ regulacji pracą

instalacji słonecznej

Układ regulacji pracą instalacji słonecznej pozwala efektywnie wykorzystać energię

promieniowania słonecznego. Zadaniem sterownika jest kontrola utrzymywania nastawionej różnicy

temperatur pomiędzy kolektorem słonecznym i zasobnikiem na poziomie ok. 8 K . Dwa czujniki

mierzą aktualne wartości temperatur, w kolektorze słonecznym oraz w dolnej części zasobnika. W

przypadku wystarczającego promieniowania słonecznego, to znaczy po przekroczeniu nastawionej

różnicy temperatur, układ regulacji załącza pompę obiegu solarnego. Następuje wówczas proces

podgrzewania c.w.u. w zasobniku. Jeżeli w wyniku zmniejszonej intensywności promieniowania

słonecznego różnica temperatur obniży się poniżej nastawionej wartości zadanej (< 8 K), wtedy

układ regulacyjny spowoduje zmniejszenie prędkości obrotowej pompy obiegowej, co z kolei

przyczyni się do zmniejszenia przepływu strumienia płynu solarnego przez kolektory słoneczne i

pozwoli na utrzymanie różnicy temperatur na wymaganym poziomie. Sterownik wyłącza całkowicie

pompę, gdy mierzona różnica temperatur spadnie poniżej połowy ustawionej wartości zadanej (4

K). W przypadku niedostatecznej temperatury c.w.u. w zasobniku załączone zostaje jej

dogrzewanie przez konwencjonalny kocioł grzewczy.