ABC instalacji solarnych. Opłacalny kolektor

zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfa zobacz pdfa 

Bardzo ważne jest, aby w kolektorze słonecznym nie zachodził przepływ laminarny. Z teorii wiadomo, że przepływ laminarny nie zachodzi (rura prostoliniowa) od momentu, gdy liczba Reynoldsa przekroczy wartość 2320. Wielkościami decydującymi o tej wartości są: rodzaj, skład oraz temperatura medium roboczego, przepływ oraz obwód rurek przepływowych (obowiązuje to również dla przypadku, gdy przekrój nie jest okrągły). Trzeba również zaznaczyć, że wartość krytycznej liczby Reynoldsa nie zależy od kształtu przekroju rurki (przynajmniej w pierwszym przybliżeniu) oraz od chropowatości powierzchni. Podczas przepływu turbulentnego cząsteczki medium roboczego przemieszczają się gwałtownie również w kierunku prostopadłym do kierunku przepływu w stronę osi rury (nie zachodzi to podczas przepływu laminarnego). Zjawisko to powoduje, że zachodzi różnica wydajności kolektorów słonecznych rzędu 2-4% w zależności od rodzaju absorbera.

Dla wielu krytyków jest to mała wartość, ale jeśli odnieść ją do wartości wymaganych, np. w celu uzyskania dofinansowania, to może się okazać, że te 2-4% spowodują obniżenie sprawności poniżej wymaganej granicy. Na wykresie 1 pokazano zmiany współczynnika sprawności kolektora słonecznego wynikające z wyjścia z przepływu laminarnego. Niestety często przepływ burzliwy (turbulentny) mylony jest z przepływem zaburzonym, np. w wyniku natrafienia cieczy roboczej na zmianę przekroju rur lub tp. Zdarza się również, że producenci kolektorów słonecznych dla oszczędności zmniejszają grubości ścianek rurek przepływowych w absorberze, co prowadzi do zwiększenia ich średnicy wewnętrznej, efektem jest zmniejszenie prędkości przepływu, a co za tym idzie – liczby Reynoldsa.

Z badań, prowadzonych między innymi przez Austriackie Centrum Badawcze Arsenal Research, wynika, że kolektory posiadające absorber w formie harfy osiągają przepływy charakteryzujące się liczbą Reynoldsa (dla wody) rzędu 300-2000, natomiast w przypadku meandra liczba ta osiąga wartość rzędu 2000-15000. Uwzględniając fakt, że medium roboczym jest mieszanina wody z glikolem, rzeczywiste wartości liczby Reynoldsa są o 20 do 50% niższe. Zmianę sprawności kolektora przy wyjściu z przepływu laminarnego dla kolektora słonecznego z absorberem selektywnym w postaci harfy przedstawiono na wykresie 2. Medium roboczym była woda o średniej temperaturze 32oC, temperatura otoczenia wynosiła 20oC, natężenie promieniowania słonecznego 909 W/m2. Widać wyraźny skok sprawności kolektora słonecznego przy wyjściu z przepływu laminarnego. Oznacza to, że praktycznie dla każdego kolektora słonecznego możliwe jest określenie wartości krytycznego przepływu masowego. Po przekroczeniu tej wartości następuje poprawa sprawności kolektora słonecznego. Z powyższego wynika, że kolektory słoneczne mogą w trakcie pozyskiwania energii słonecznej pracować w szerokim zakresie liczby Reynoldsa, a regulatory posiadające funkcję regulacji prędkości obrotowej pompy (jeśli nie posiadają właściwego algorytmu pracy) zamiast poprawiać uzysk energetyczny instalacji solarnej mogą prowadzić do efektu przeciwnego.

Badanie kolektorów słonecznych w uprawnionych instytucjach badawczych prowadzi między innymi do określenia, czy modelowa instalacja solarna, w której zastosowano badane kolektory słoneczne, osiągnie wartość uzysku solarnego 525 kWh/m2. Jako parametry tej modelowej instalacji przyjmowane są następujące założenia:

* lokalizacja instalacji: Würzburg (położenie 49°47’18” North, 9°53’21” East),
* pogoda TMY (Typical Meteorological Year) albo ekwiwalentne dane pogodowe,
* usytuowanie kolektorów na południe, nachylenie odpowiednie do szerokości geograficznej,
* powierzchnia kolektorów jest tak dobrana, aby wskaźnik pokrycia solarnego wynosił 40%,
* parametry kolektorów przyjmuje się z certyfikatu będącego wynikiem badań przez uprawnioną jednostkę,
* przepływ masowy identyczny jak w trakcie badań, zastępczo 50 l/m2h,
* medium robocze takie jak w trakcie badań albo mieszanina wody i glikolu polipropylenowego o zawartości 30% glikolu,
* sterownik włącza pompę przy zaistnieniu różnicy temperatur w wysokości 2 K pomiędzy temperaturą medium roboczego u wylotu kolektora a temperaturą zasobnika w obszarze wymiennika ciepła,
* orurowanie: zasilanie i powrót po 7,5 m długości wewnątrz i na zewnątrz budynku na rurze DN16 w izolacji o grubości 25 mm (λ = 0,04 W/Km); straty ciepła liczone z uwzględnieniem temperatury wewnątrz pomieszczenia oraz temperatury powietrza na zewnątrz budynku,
* wymiennik ciepła: zanurzony wymiennik ciepła z gładkimi rurami o znanych parametrach (współczynnik kA wynoszący 400 W/K (+/- 15%) przy temperaturach 42o/40oC na króćcu wlotowym i wewnątrz zasobnika),
* zasobnik o pojemności 300 litrów, współczynnik strat ciepła włącznie z kołnierzami 2,2 W/K, stosunek wysokości do średnicy 2,5, pojemność dyspozycyjna 135 l przy 47oC,
* temperatura zimnej wody 10oC,
* temperatura wewnątrz pomieszczeń 15oC,
* standardowy pobór ciepłej wody 200 l/d przy 45oC (w przypadku, gdy temperatura przekracza 45oC następuje podmieszanie z zimną wodą do temperatury 45oC, odpowiada to energii 2950 kWh/a, przyjęto jednostkowy pobór 10 l/min),
* profil poboru: o godz. 7 i 19 po 40% i 20% o godz. 12.

Każde odstępstwo od tych parametrów prowadzi do zmiany wartości uzysku solarnego. Już z samego faktu, że teren Polski leży w dużej części na północ od Würzburga, wynika, że kolektory poddane zostaną niższym wartościom promieniowania słonecznego. Przyjmując, że kolektory są identycznie usytuowane jak w instalacji modelowej (temperatury wody oraz profile zużycia również są identyczne), w następnym artykule spróbuję określić, na ile możliwe jest pogorszenie uzysku solarnego poprzez niewłaściwy dobór urządzeń i ich parametrów.

dr inż. Jerzy Chodura

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