Projektowanie kolektorów słonecznych

Projektując kolektory słoneczne należy uwzględnić następujące kryteria:
– kolektory w Polsce powinny być w miarę możliwości zwrócone w kierunku południowym
– kąt nachylenia kolektora powinien być powiązany z szerokością geograficzną i przeznaczeniem instalacji, np. instalacja do przygotowania c.w.u., instalacja do ogrzewania domu, basenu
– kolektory nie mogą być zasłonięte przez drzewa, sąsiednie budynki, lub inne obiekty w godzinach od 8-16.00

Gdzie można zamontować kolektory?

Położenie kolektora zależy od jego budowy i kąta padania promieni słonecznych. Kolektory płaskie płytowe powinny być zamocowane pod kątem (średnio 45° do poziomu). Kolektory rurowe próżniowe mogą być zamocowane pod kątem lub pionowo (zob. konstrukcje kolektorów). Na dachach stromych kolektor może być zamocowany bezpośrednio do konstrukcji dachowej, na płaskich – do montażu kolektora wykorzystywana jest specjalna konstrukcja wsporcza. W instalacjach basenowych kolektory mocowane są zwykle jako wolnostojące na wspornikach osadzonych w fundamencie.

projco6

Azymut kolektora – w warunkach Polski największe promieniowanie słoneczne występuje z kierunku południowego, dlatego należy ustawiać zwierciadła kolektorów idealnie na południe. W praktyce dopuszcza się odchylenie od kierunku południowego nawet do 45° , ale wiąże się to ze zmniejszeniem wydajności kolektora. W okresie letnim odchylenie od kierunku południowego rzędu 20° nie ma wpływu na wydajność kolektorów.

projkol1

Kąt nachylenia kolektora – określa się jako:
α = φ ± 15°
gdzie: φ – kąt szerokości geograficznej (dla warunków Polski wynosi od 49-55°)
Dla obszaru Polski szerokość geograficzna φ wynosi 49° – 55°, zatem kąt ten powinien wynosić 34° – 70°, przy czym wartość mniejsza jest zalecana dla instalacji użytkowanych latem (od 30°), a większa dla instalacji użytkowanych zimą (60°). Instalacje całoroczne powinny mieć kąt nachylenia zbliżony do 40-45°.

projco137Na rys.przedstawiono diagram ujmujący zależność względnej wartości natężenia promieniowania od kątów azymutu (na obwodzie koła) oraz nachylenia (okręgi współśrodkowe). Zamieszczony przykład ilustruje sposób korzystania z diagramu.

projco31Z uwagi na zmieniający się kąt padania promieni słonecznych w ciągu roku zysk ciepła z kolektorów dachowych podlega znacznym wahaniom. Na rys. poniżej pokazano wpływ kąta ustawienia kolektora na uzysk ciepła w poszczególnych miesiącach roku.

projco66

Z wykresu widać, że przy kącie ustawienia kolektora 90° uzyskamy najwięcej ciepła w okresie zimowym, ale stosunkowo najmniej w lecie. Odwrotna sytuacja wystąpi przy kącie 0°, gdzie pojawią się wysokie zyski latem i bardzo małe zimą. Optymalny kąt leży pomiędzy 30-45°. Kat ustawienia kolektora ma też duży wpływ na jego trwałość i serwisowanie. Kąt 90° jest najbezpieczniejszy, chroni przed gradem, w zimie przed pokrywą śnieżną. Kąty poniżej 20° wpływają niekorzystnie na zarastanie kurzem, łatwo też pokrywają się śniegiem. W zależności od zakresu stosowania instalacji solarnej zaleca się następujące 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.

projco152
Rys. Wpływ azymutu i kąta ustawienia kolektora na uzysk energii

Przy obliczeniach szczegółowych mocy kolektora, wszelkie odstępstwa od zalecanych kątów montażu powinny być uwzględnione w postaci współczynników korekcyjnych.

Współczynnik korekcyjny dla azymutu kolektora

W celu uzyskania tej samej wydajności co z kierunku południowego, powierzchnię płaskiego kolektora słonecznego należy powiększyć o odpowiednie współczynniki korekcyjne zgodne z rys.7 . Z analizy rysunku wynika, że odchylenie kolektora od kierunku południowego w kierunku zachodnim jest korzystniejsze niż odchylenie w kierunku wschodnim.

projco67Rys. Współczynnik korekcyjny dla kolektora płaskiego w zależności od ustawienia względem kierunku południowego

Współczynnik korekcyjny dla pochylenia kolektora

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.

projco68Rys. Współczynnik korekcyjny dla kąta ustawienia kolektora

Obliczanie wymaganej powierzchni kolektora

Przy obliczaniu powierzchni użytecznej kolektora możemy wyjść od wzoru

ozekol5

gdzie:
Ez – energia pobierana przez instalację
Ekol – energia słoneczna docierająca do kolektora
η – sprawność kolektora

Sprawność kolektora zależy od jego budowy i od różnicy temperatur pomiędzy absorberem i otoczeniem. Im wyższa tym większe straty ciepła (rys. poniżej)

ozekol27Rys. Sprawność kolektorów płaskich i rurowych

W przybliżeniu można przyjąć, że średnia sprawność kolektora płaskiego to 50-60%, próżniowego 60-65%. Aby policzyć Ekol, musimy znać wielkość nasłonecznienia w danej miejscowości. Dla Lublina ilość KWh energii słonecznej docierającej w ciągu roku wynosi 1048 kWh/m2 i jest największe w kraju.

polska

Energia promieniowania docierająca do kolektora średnio w ciągu doby obliczymy ze wzoru:

ozekol7

Dobowe zapotrzebowanie ciepła w instalacji Ez na przygotowanie ciepłej wody będzie z kolei zależeć od ilości mieszkańców i wielkości zużycia ciepłej wody na mieszkańca (wanna, natrysk, umywalka, itp.)

ozekol8

Ilość ciepłej wody zużywanej przez jednego mieszkańca waha się od 30-60 l/d. Nasz wzór możemy teraz zapisać w postaci:

ozekol28oraz po uwzględnieniu jednostek:

ozekol10

gdzie:
n – liczba mieszkańców
z- średnie dobowe zużycie ciepłej wody w l/os.
ΔT – różnica temperatur między woda zimną i ciepłą (około 40C).
cw- ciepło właściwe wody w 4190kJ/kgK

Jeśli nasz kolektor będzie położony pod innym kątem i azymutem niż zalecany wzór powyższy należy przemnożyć przez współczynniki korekcyjne.

Przykład. Dla 4-ro osobowej rodziny i 40l ciepłej wody na osobę/dobę powierzchnia kolektora usytuowanego na ścianie (kąt 90°) wyniesie.

ozekol29

Dobór powierzchni kolektorów do przygotowania wody w basenie

projco139Tabela Uproszczony dobór kolektorów do przygotowania wody basenowej (kolektory firmy ENSOL)

Dobór zasobnika c.w.u.

Całkowita pojemność zasobnika powinna pokrywać zapotrzebowanie na c.w.u na 2 dni i można ją wyliczyć z zależności:

projco32gdzie:
Vzmim- minimalna pojemność zasobnika
Vp- zapotrzebowanie cwu na 1 osobę
P-  liczba osób w gospodarstwie domowym
tw- temperatura cwu w punkcie poboru
tk-  temperatura wody zimnej
tz-  temperatura wody w zasobniku(50-60) 0C

Dobór przeponowego naczynia wzbiorczego dla instalacji solarnej

Dobór naczyń wzbiorczych zabezpieczających układ solarny przed nadmiernym wzrostem ciśnienia jest nieco inny niż w przypadku klasycznej instalacji c.o. W układzie kolektora dachowego nie krąży bowiem woda tylko specjalny płyn odporny na zamarzanie (np. roztwory glikolu, tyfocor, F2 lub R1 firmy ROTH). Rozszerzalność cieplna płynów jest inna w tym wypadku inna niż wody w układzie c.o. Poniżej sposób doboru naczyń dla płynu tyfocor.

projco33

Gdzie:
Va – pojemność całkowita instalacji w dm3
Vv = Va·0,015 (min. 1 litr)
V2 = Va·β
β=0,07 dla czynnika TYFOCOR
Vk – pojemność kolektora
z – liczba kolektorów
pe = pb-0.5 dopuszczalne nadciśnienie końcowe
pb – ciśnienie otwarcia zaworu bezpieczeństwa
pst = 1,5+0,1·h ciśnienie wstępne poduszki gazowej
h – wysokość statyczna instalacji w [m]

Przykład: Dobrać naczynie wzbiorcze do instalacji składającej się z 3 kolektorów Ensol o pojemności Vk= 1,8l każdy. Całkowita pojemność instalacji Va=30 l, wysokość statyczna wynosi h=8m. Zawór bezpieczeństwa pb=6 bar.

Obliczenia:

Vv = 30×0,015 = 0,45 litra (przyjęto 1,0)
V2 = 30×0,07 = 2,1 litra
pe = 6-0,5 = 5,5 bar
p = 1,5 + 0,1×8 = 2,3 bar

projco34

projco140Tabela. Dobór pojemności naczynia wzbiorczego metodą uproszczoną na podstawie ilości kolektorów i pojemności podgrzewacza wody

Dobór średnic rur instalacji solarnych

Dobór średnic przewodów instalacji w obiegu kolektora powinien uwzględniać dwa założenia:
– prędkość przepływu powinna się wahać między 0,3-0,7m/s
– wielkość przepływu w pojedynczym kolektorze wynosi 1-2 dm3/min.

projco35Tabela. Uproszczony dobór średnic przewodów miedzianych w obiegu kolektorów dachowych

Źródło:
– instsani.pl

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.