Strona dla uczniów technikum

 

Strona główna

Galeria Mapa strony Historia Kontakt PSBiG Filmy  

Technik urządzeń i systemów energetyki odnawialnej

 

     Vademecum energetyki odnawialnej

Energia wód płynących Energia słoneczna Energia geotermalna Energia wiatru
Pompy ciepła Biomasa Biogaz Energia oceanów
Ustawy i rozporządzenia
 
 Jesteś:
Energia słonecznaKolektory słoneczneWielkość energii docierającej do kolektora

 

2. Wielkość energii docierającej do kolektora (tekst Grzegorz Wiśniewski)

 

   Najistotniejszymi parametrami promieniowania słonecznego – ze względu na sposób wykorzystania tej energii w kolektorach płaskich (płaskopłytowych) – są dzienne, miesięczne, sezonowe i roczne sumy wartości natężenia promieniowania słonecznego – H (kJ/m2), wyrażające ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni w określonym czasie. Sumy wartości natężenia promieniowania słonecznego w dłuższych okresach (sezon, rok) są szczególnie przydatne do analiz ekonomicznych zastosowania kolektorów słonecznych w procesach roboczych.

   W wielu przypadkach do wyrażenia wartości sumy natężenia promieniowania
w czasie godziny, dnia, miesiąca lub roku stosuje się jako jednostkę kWh/m2, natomiast
dane z Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej są podawane w MJ/m2;
w starszych opracowaniach można jeszcze spotkać jednostkę – cal/cm2. Przeliczenia
wzajemne (zależności) wymienionych jednostek natężenia promieniowania przedstawiono
w tabeli 1.

Tabela 1 Zależności między jednostkami natężenia promieniowania.

Innym istotnym parametrem warunkującym cechy konstrukcyjne kolektora i jego
wydajność jest natężenie całkowitego promieniowania słonecznego I (wartość chwilowa),
wyrażone w W/m2. W energię użyteczną może być przetworzona tylko część
energii słonecznej, której natężenie promieniowania w określonym czasie przekracza
właściwą dla tego urządzenia i danych warunków meteorologicznych wartość progową
I'min. Wartość tę wyznaczyć można z uproszczonego równania bilansu energetycznego
kolektora słonecznego o powierzchni jednostkowej:

 

gdzie:
E – suma energii użytecznej, Wh z jednostki powierzchni kolektora,
ηo – współczynnik konwersji optycznej promieniowania słonecznego,
H' – wartość natężenia promieniowania słonecznego I > I'min, Wh/m2,
U – współczynnik strat cieplnych kolektora, W/m2· K,
ΔT – średnia różnica temperatur nośnika ciepła w kolektorze i otoczeniu, K,
τ – czas występowania natężenia promieniowania o wartości I > Imin, h.

Wartość progową oblicza się z równania powyżej, przy założeniu, że E = 0, stąd:

Wartości progowe I'min dla różnych typów kolektorów słonecznych pracujących przy różnych wartościach ΔT podano w tabeli 2. Z tabeli 1.2 wynika, że np. kolektor próżniowo-rurowy zaczyna gromadzić energię
cieplną już przy stosunkowo małej wartości promieniowania słonecznego całkowitego, ok. 20 W/m2, dzięki m.in. doskonałej izolacji termicznej i minimalnym stratom ciepła, co szczególnie predestynuje go do stosowania w okresie jesienno-zimowo-wiosennym. W obliczeniach przybliżonych, które mają praktyczne znaczenie w grzewczych instalacjach słonecznych i kolektorach słonecznych, przyjmuje się minimalną wartość całkowitego natężenia promieniowania słonecznego Imin = 100 W/m2.

Tabela 2 Szacunkowe wartości progowe Imin natężenia promieniowania słonecznego dla różnych typów kolektorów słonecznych.

W przypadku kolektorów płaskopłytowych, o możliwości przetwarzania energii promieniowania słonecznego w ciepło użyteczne decyduje promieniowanie całkowite, dochodzące ze wszystkich kierunków półsfery. Promieniowanie całkowite Ih, Hh zawiera trzy składowe:
1. Promieniowanie bezpośrednie Ib, Hb jest to krótkofalowe promieniowanie o kierunku
rozchodzenia się promieni w linii prostej od Słońca do powierzchni czyn
nej kolektora. Długość fali promieniowania słonecznego bezpośredniego na powierzchni Ziemi (po przejściu przez warstwę atmosfery) w 98% zawarta jest w przedziale 0,30–2,50 μm. Obejmuje ono całe tzw. widzialne promieniowanie słoneczne długości fali 0,40–0,70 μm.

2. Promieniowanie rozproszone (dyfuzyjne) Id, Hd jest to promieniowanie długofalowe. Powstaje w wyniku załamania, odbicia i częściowego pochłaniania promieniowania bezpośredniego w atmosferze ziemskiej. Daje ono barwę niebieską nieboskłonu w wyniku rozproszenia światła słonecznego. Dodatkowo do promieniowania rozproszonego zalicza się tzw. długofalowe promieniowanie atmosfery
o znacznie większej długości fali niż bezpośrednie i rozproszone promieniowanie słoneczne. Jest ono emitowane przez atmosferę niezależnie od pory doby, w postaci fal długości 4–120 mm.
3. Promieniowanie odbite IhP od powierzchni Ziemi i obiektów w pobliżu absorbera
kolektora słonecznego, tzw. albedo. Jest to również promieniowanie rozproszone,
którego wielkość zależy od promieniowania całkowitego Ih = Id + Ib (rozproszonego
i bezpośredniego) oraz współczynnika odbicia p odpowiadającego różnym
powierzchniom i przedmiotom w pobliżu kolektora.
Sumaryczny wpływ wymienionych składowych promieniowania na ilość energii
docierającej do powierzchni kolektora słonecznego w jednostce czasu (moc strumienia
energii promieniowania słonecznego) określona jest równaniem, które uwzględnia
zależności kątowe:

gdzie:
Θ – kąt zawarty pomiędzy linią wyznaczoną przez kierunek promieniowania słonecznego
bezpośredniego a normalną do powierzchni absorbera (rys. 1),

βkąt pochylenia płaszczyzny kolektora w stosunku do poziomu.

Rys.1 Geometria ruchu Słońca w stosunku do kolektora. Θ – kąt padania, Θz – kąt zenitu,
β – kąt nachylenia kolektora do poziomu, γ – kąt odchylenia od kierunku południowego,
α – kąt wysokości słońca nad horyzontem, ψ – kąt azymutu

Ponieważ tylko dwie z trzech składowych Ib, Id, lh są niezależne (Ih = Ib cos Θz + Id), gdzie Θz – kąt zenitu (tj. kąt między linią wyznaczoną przez normalną do powierzchni poziomej a kierunkiem promieniowania słonecznego), często – dysponując danymi z pomiarów meteorologicznych Ih i Id – stosuje się inną postać równania:

Wartość współczynnika odbicia promieniowania słonecznego ρ zależy jedynie od rodzaju powierzchni w otoczeniu kolektora słonecznego. W zależności od rodzaju powierzchni, a także kąta β, udział tego rodzaju promieniowania w bilansie kolektora płaskopłytowego sięga 5–30%.

Tabela 3 wartość współczynnika odbicia słonecznego ρ w zależności od różnych powierzchni.

 

Testy
Egzamin zawodowy
Materiały do zajęć
Ciekawe linki

 

 

 

 Internetowe liczniki