Powietrzne kolektory słoneczne. Solary w suszarni

zobacz artykuł w wersji pdf pdf  pdf 

W Polsce stosunkowo dynamicznie rozwija się sektor tzw. cieczowych kolektorów słonecznych, przeznaczonych do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Wynika to z możliwości powszechnego zastosowania tych kolektorów w gospodarstwach domowych oraz budynkach użyteczności publicznej. Zupełnie inaczej przedstawia się sytuacja w przypadku kolektorów słonecznych do podgrzewania powietrza. Z posiadanych przez autora informacji wynika, że kolektory tego typu nie są w naszym kraju produkowane seryjnie, a istniejące urządzenia pochodzą bądź z tzw. prywatnego importu, bądź zostały samodzielnie wytworzone przez użytkowników. Praktyka pokazuje, że powietrzne kolektory słoneczne mogą być efektywnym narzędziem do wspomagania energią cieplną wszelkich procesów technologicznych, wymagających podgrzanego powietrza w okresie największej podaży promieniowania słonecznego, a więc w miesiącach maj-sierpień. Do takich procesów zaliczyć można suszenie płodów rolnych oraz biomasy. Znikome rozpowszechnienie powietrznych kolektorów słonecznych w Polsce oraz stosunkowo duże obszary możliwych zastosowań skłoniły autora do skonstruowania prototypu takiego kolektora oraz przeprowadzenia badań umożliwiających określenie uzysku energetycznego.

Dostępność
Co prawda Polska nie należy do krajów o najwyższej podaży promieniowania słonecznego, ale warunki nasłonecznienia mamy zbliżone do naszego sąsiada – Niemiec, europejskiego i światowego lidera w zakresie fotowoltaiki oraz cieplnych kolektorów słonecznych. Dla energetyki słonecznej bardzo istotne są sumy roczne promieniowania całkowitego (wyrażone w kWh/m2 w skali roku). Sumy roczne promieniowania całkowitego obrazują rzeczywistą ilość energii słonecznej docierającą do powierzchni Ziemi w skali roku, z uwzględnieniem przezroczystości atmosfery i zachmurzenia.

Konstrukcja
Innowacyjny powietrzny kolektor słoneczny wykonany jest w całości z tworzyw sztucznych. Jego budowę pokazano na rys. 1. Płyta absorbera wykonana jest z czarnej, komorowej płyty poliwęglanowej. Rozwiązanie takie zapewnia kontakt przepływającego powietrza z absorberem na praktycznie całej jego powierzchni, co przyczynia się do dużo bardziej efektywnej wymiany ciepła niż w kolektorach tradycyjnych, gdzie powierzchnia kontaktu jest niewielka. Transparentne ocieplenie wierzchniej strony kolektora wykonane jest z przezroczystej komorowej płyty poliwęglanowej. Konstrukcja taka jest dużo lepsza niż tradycyjna szyba ze względu na kilkakrotnie mniejszą masę i efektywniejszą izolację cieplną. Dolna strona absorbera ocieplona jest pianką polietylenową oraz folią aluminiową. Rury zbiorcze kolektora wykonane są z polichlorku winylu. Wszystkie elementy kolektora połączono za pomocą elastycznego kleju bazującego na technice SMP (polimer modyfikowany silanami).

Cel i zakres badań
Celem przeprowadzonych badań było doświadczalne określenie wydajności (mocy) powietrznych kolektorów słonecznych konstrukcji autora w wersji ocieplonej, z rurami zbiorczymi o średnicach 110 i 160 mm. W ramach badań dokonano pomiarów mocy pojedynczych kolektorów obu typów oraz zestawów składających się z dwóch kolektorów połączonych szeregowo. Pomiary przeprowadzono dla różnych natężeń przepływu powietrza oraz różnych temperatur powietrza zasilającego, tak aby w miarę dokładnie odwzorować warunki, w jakich będzie pracował kolektor w procesach suszarniczych.

Budowa stanowiska
Stanowisko składa się z:
* dmuchawy promieniowej napędzanej silnikiem prądu trójfazowego,
* falownika służącego do płynnej regulacji prędkości obrotowej silnika, a co za tym idzie – masowego natężenia przepływu powietrza zasilającego badany kolektor,
* rurociągu łączącego dmuchawę z badanym kolektorem,
* zwężki do pomiaru natężenia przepływu powietrza umieszczonej na rurociągu zasilającym,
* elektronicznego miernika prędkości przepływu powietrza,
* układu do podgrzewania powietrza dolotowego, wyposażonego w dwie grzałki elektryczne (2 x 1,2 kW),
* punktów pomiaru temperatur powietrza dolotowego i wylotowego; w punktach tych umieszczone są rezystancyjne czujniki temperatury PT-100 umożliwiające pomiar temperatury z dokładnością do 0,1oC,
* badanego kolektora powietrznego (zestawu kolektorów),
* symulatora promieniowania słonecznego, umożliwiającego naświetlanie jednego badanego kolektora strumieniem świetlnym o natężeniu promieniowania do 1,5 kW/m2, natomiast zestawu dwóch kolektorów strumieniem o natężeniu do 1,0 kW/m2,
* piranometru (przyrządu do pomiaru natężenia promieniowania świetlnego).

Przeprowadzanie pomiarów
Wszystkie pomiary były realizowane przy natężeniu promieniowania ok. 1000 W/m2. W trakcie pomiaru rejestrowane są jednocześnie:
* prędkość przepływu powietrza w rurach zbiorczych kolektora (na tej podstawie oblicza się objętościowe i masowe natężenie przepływu powietrza),
* temperatury powietrza zasilającego i opuszczającego badany kolektor.

Badania prowadzono dla różnych temperatur powietrza zasilającego w zakresie od temperatury otoczenia (ok. 20oC) do ok. 60oC.
W trakcie pomiarów zmieniano również natężenie przepływu powietrza w zakresie od 0,014 m3/s do maksymalnej wartości, jaką można było uzyskać ze względu na wydajność dmuchawy przy konkretnym obciążeniu układu pojedynczym kolektorem lub baterią kolektorów. Na podstawie zmierzonych wielkości wyznaczana jest na drodze obliczeniowej moc badanego kolektora (baterii kolektorów).

Pomiary
W celu określenia wpływu natężenia przepływu powietrza na moc kolektora przeprowadzono pomiary dla natężenia przepływu zmieniającego się w zakresie od 0,014 do 0,081 m3/s. Pomiary przeprowadzono dla pojedynczego oraz dwóch połączonych szeregowo kolektorów z rurami zbiorczymi o średnicy 110 mm. Powietrze zasilające miało w tym przypadku stałą temperaturę wynoszącą ok. 22oC. Przykładowe wyniki przedstawiono na wykresach (1-2).

Przeprowadzono także badania mające na celu określenie wpływu temperatury powietrza zasilającego na moc (wydajność) kolektora. Pomiary zrealizowano dla temperatur powietrza zasilającego od ok. 20 do ok. 60oC oraz dwóch wartości natężenia przepływu: 0,014 i 0,028 m3/s. W celu określenia wpływu natężenia przepływu powietrza na moc baterii dwóch szeregowo połączonych kolektorów przeprowadzono pomiary dla natężenia przepływu zmieniającego się w zakresie od 0,014 do 0,059 m3/s. Powietrze zasilające miało w tym przypadku stałą temperaturę wynoszącą ok. 22oC. Przykładowe wyniki przedstawiono na wykresach (3-4).

Przeprowadzono również badania mające na celu określenie wpływu temperatury powietrza zasilającego na moc (wydajność) baterii dwóch szeregowo połączonych kolektorów. Pomiary zrealizowano dla temperatur powietrza zasilającego od ok. 20 do ok. 60oC oraz dwóch wartości natężenia przepływu: 0,014 i 0,028 m3/s.

Wnioski
* Maksymalna moc pojedynczego kolektora wynosi 1006,5 W dla wariantu z rurami zbiorczymi o średnicy 110 mm i 1076,4 W dla wariantu z rurami zbiorczymi o średnicy 160 mm, co oznacza sprawność 57–61%. Przyrost temperatury powietrza wynosi w takich warunkach od 11,4 do 12,5oC.

* Maksymalna moc baterii dwóch szeregowo połączonych kolektorów wynosi 1775 W dla wariantu z rurami zbiorczymi o średnicy 110 mm i 1986,4 W dla wariantu z rurami zbiorczymi o średnicy 160 mm, co oznacza sprawność 50–56%. Przyrost temperatury powietrza wynosi w takich warunkach ok. 27oC.

* W celu osiągnięcia maksymalnej wydajności kolektorów w instalacji suszarniczej powinny one pracować w takich warunkach, aby osiągały maksymalną moc. Nie należy dążyć do tego, aby same kolektory zapewniły wymaganą temperaturę powietrza, gdyż wtedy pracować będą przy znacznie niższej sprawności.

* Aby możliwe było osiągnięcie maksymalnej mocy kolektora (baterii kolektorów), należy zapewnić odpowiednio duży przepływ powietrza na poziomie 300 m3/h. Jest to wartość przepływu dla jednego kolektora. W przypadku całej instalacji suszarniczej (12 kolektorów) jest to 3600 m3/h.

Korzyści
Jeżeli założyć, że okres suszarniczy trwa 75 dni, a średnia podaż promieniowania słonecznego w tym czasie to 4,7 kWh/m2 w skali doby, to uwzględniając średnią sprawność kolektora 50%, uzyskujemy energię 13,4 GJ. Energia ta dotyczy instalacji składającej się z dwunastu kolektorów. Oznacza to zaoszczędzenie 382 l oleju opałowego o wartości opałowej 39 MJ/l przy założeniu 90% sprawności palnika.

dr inż. Jerzy Majewski

Opracowano na podstawie „Acta Energetica” 3/2012 s. 39-45.

Literatura:

1. J. Majewski, D. Mikielewicz, J. Wajs, J. Zygmunt, “Experimental Investigations of a Prototype of Solar Collector on the Rig Equipped with Artificial Source of Illumination”, Międzynarodowe Sympozjum Heat Transfer and Renewable Sources of Energy HTRSE-2006, Międzyzdroje 2006.

2. G. Wiśniewski, S. Gołębiowski, M. Gryciuk, „Kolektory słoneczne – poradnik wykorzystania energii słonecznej”, Warszawa 2001.

3. PN-EN 12975-1:2007 Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy, Kolektory słoneczne, część 1, Wymagania ogólne.

4. PN-EN 12975-2:2007 Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy, Kolektory słoneczne, część 2, Metody badań.

Dodaj komentarz

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

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij