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 słoneczneProjektowanie instalacji solarnych 

 

9. Projektowanie instalacji solarnych

9.1 Lokalizacja kolektorów

9.2 Obliczanie wymaganej powierzchni kolektorów

9.3 Dobór zasobnika c.w.u.

9.4 Dobór naczynia wzbiorczego

9.5 Dobór zespołu pompowego

9.6 Dobór zaworu bezpieczeństwa

9.7 Układy kolektorów


UWAGA - Poniżej omówiono podstawy projektowania kolektorów dachowych (głównie płaskich) w oparciu o materiały producentów zestawów solarnych. 

 

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

 

9.1 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.

 

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

 

 

 

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°.


Na rys. 5 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.
 

 

Z 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.

 

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.

Rys.6 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.

Rys.7 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.

Rys.8 Współczynnik korekcyjny dla kąta ustawienia kolektora.

 

 

 

 

9.2 Obliczanie wymaganej powierzchni kolektora

Przy obliczaniu powierzchni użytecznej kolektora możemy wyjść od wzoru

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. 9)

Rys.9 Sprawność kolektorów płaskich i rurowych

 

Sprawność kolektora można wyliczyć ze wzoru:

 

gdzie:

η0 - sprawność optyczna kolektora podawana w charakterystyce

k1, k2 - współczynniki strat podawane w charakterystyce każdego kolektora (można spotkać też oznaczenia a1, a2)

ΔT - różnica temperatur pomiędzy temperatura absorbera a temperaturą otoczenia.

Eg - natężenie promieniowania w danej miejscowości w kWh/m2

 

  Maksymalna sprawność osiągana jest wówczas, gdy różnica między temperaturą absorbera a temperaturą zewnętrzną wynosi ΔT, a straty termiczne są równe 0. Im bardziej rośnie temperatura
kolektora, tym większe są straty ciepła i tym mniejszy jest współczynnik sprawności.

 

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 największa w kraju (zależy od przyjętego okresu lat, rejony o największej w Polsce insolacji to teren Zamojszczyzny i lubelskie, według danych IMiGW w ostatnich latach insolacja rośnie i w latach 2005-2012 przekracza już 1200 kWh/m2 dla najbardziej nasłonecznionych obszarów).  

 

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

 

 

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.)

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

 

oraz

po uwzględnieniu jednostek 

gdzie:

n - liczba mieszkańców

z- średnie dobowe zużycie ciepłej wody w l/os.

ΔT - różnica temperatur między wodą zimną i ciepłą (około 40C).

cw- ciepło właściwe wody w  4,190kJ/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.

 

 


 
Dobór powierzchni kolektorów do przygotowania wody w basenie

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

9.3 Dobór zasobnika c.w.u.

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

gdzie:

Vzmin……... 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 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.

Tabela. Uproszczony dobór średnic przewodów miedzianych w obiegu kolektorów dachowych.

Testy
Egzamin zawodowy
Materiały do zajęć
Ciekawe linki

 

 

 

 Internetowe liczniki