(tekst Grzegorz Wiśniewski)
Wiadomości wstępne
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 czynnej 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),
β – kąt 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.
Optymalny kąt kolektora słonecznego
Maksymalne wykorzystanie energii słonecznej docierającej do powierzchni dachu zależy w dużej mierze od kąta pochylenia kolektora słonecznego. Kąt ten zmienia się znacznie w ciągu roku, stąd instalacje solarne określa się często mianem ( całorocznych – jeśli energia słońca wykorzystywana jest na potrzeby c.o. i c.w.u. przez cały rok i sezonowych, jeśli energia słoneczna wykorzystywana jest tylko na potrzeby ciepłej wody użytkowej, bądź tylko do wspomagania ogrzewania. Budowane na świecie kolektory słoneczne o całorocznym okresie wykorzystania są nachylone do poziomu pod kątem β = f ± 15°, gdzie f oznacza szerokość geograficzną. W Polsce, między 49 a 55° szerokości geograficznej, kąt β – w myśl powyższej zasady – powinien wynosić 34–70°. Wieloletnie obserwacje prowadzone przez IMiGW wykazały, że optymalny w warunkach klimatycznych Polski kąt nachylenia powierzchni kolektora płaskiego eksploatowanego w ciągu roku wynosi β = 40°, z dużym zróżnicowaniem w poszczególnych okresach wykorzystania.
Tabela 4 . Optymalny kąt pochylenia kolektora słonecznego w różnych okresach jego wykorzystania w Polsce
W przypadku umieszczenia kolektora słonecznego na powierzchni Ziemi lub przy ścianach budynków, wraz ze zwiększeniem się kąta β zwiększa się też do 30% udział promieniowania odbitego od powierzchni otaczających, a docierającego do powierzchni kolektora . W tych przypadkach optymalny kąt pochylenia β kolektora słonecznego będzie większy od wartości podanych w tabeli 4.
Stosunek uśrednionej w ciągu roku sumy promieniowania całkowitego na powierzchnie nachylone do uśrednionej w ciągu roku sumy promieniowania całkowitego na powierzchnie poziome, przy ekspozycji południowej (α = 0°) w Polsce, przedstawiono w tabeli 2. Uwzględniono w niej również odchylenie normalnej kolektora od kierunku południowego (α = 45°) w kierunku wschodnim i zachodnim.
W celu uzyskania rzeczywistych danych o dziennym dopływie energii do 1 m2 kolektora zainstalowanego pod kątem β, wartości zawarte w tabeli. 6 należy pomnożyć przez współczynniki z tabeli 5 dla danego kąta β.
Kolektory słoneczne raczej nie powinny być lokalizowane w warunkach, w których odchylenie normalnej do ich powierzchni od kierunku południowego przekracza α ±15°. Przy większym odchyleniu kolektora od kierunku południowego, jego wydajność znacznie zmniejsza się, jak to przedstawiono w tab. 5. Z tabeli tej wynika również to, że odchylenie od kierunku południowego w kierunku wschodnim jest korzystniejsze niż w kierunku zachodnim.
Tabela 5. Stosunek rocznych sum promieniowania całkowitego na powierzchnie nachylone pod kątem β do rocznych sum promieniowania całkowitego na powierzchnie poziome, przy ekspozycji południowej lub odchylonej od kierunku południowego o 45°, gdzie S – Południe; SW – Południowy Zachód; SE – Południowy Wschód
Tabela 6 Potencjalna energia użyteczna H (Wh/m2/podany okres), w wybranych miastach Polski
Przydatne dane do obliczeń kolektorów słonecznych
Może teraz trochę prościej
Energia docierająca do kolektora
Kiedy światło słoneczne o krótkiej fali (długość fali 0,3–3,0 μm) pada na dowolny obiekt, odbija się mniej lub bardziej w zależności od struktury powierzchni (materiał, chropowatość i kolor). Białe powierzchnie odbijają znacznie więcej promieniowania niż powierzchnie ciemne. Udział promieniowania odbitego (zwłaszcza w przypadku tafli szkła) zależy też od kąta padania promieniowania (prawo Fresnela). Pozostała część jest wchłaniana przez przedmiot lub, w przypadku materiału półprzezroczystego, może częściowo przez niego przejść. Ostatecznie pochłonięta część jest przekształcana w długofalowe promieniowanie cieplne (długość fal 3,0–30 μm) i wypromieniowywana zgodnie ze strukturą powierzchni. Fale ciepła z uwagi na inną długość nie są w stanie pokonać bariery szklanej, zostają zatrzymane wewnątrz kolektora kumuląc się i powodujac stopniowy wzrost wewnętrznej temperatury. (tzw. efekt szklarniowy).
Jak to wygląda z energetycznego punktu widzenia? Całą energię promieniowania słonecznego oznaczmy tutaj jako Go. Wartość ta wynosi liczbowo w warunkach polskich około 1000 W/m2, a w skali całego roku , z uwagi na ilość godzin słonecznych i region dochodzi do 1150-1200 kWh/rokm2
Promieniowanie (Go) padając na kolektor napotyka na szklana przegrodę, dlatego jeszcze przed wejściem do kolektora niewielka jego część (G1) odbija się od zewnętrznej i wewnętrznej powierzchni szyby.
Selektywnie powlekana powierzchnia absorbera, mimo ciemnje pwoierzchni również odbija niewielką część energii (G2). Reszta energii zamienia się na ciepło, które powoduje wzrost temperatury absorbera i znajdujacej sie pod nim wężownicy oraz powoduje przewodzenie ciepła do dołu i na boki kolektora. Z dobrą izolacją termiczną materiałów takich, jak wełna mineralna i / lub poliuretan wolny od CFC (chlorofluorowęglowodorów), arkusze piankowe, itp., straty energii przez przewodzenie ciepła (Q1) są maksymalnie ograniczone. Nagrzewanie się absorbera powoduje też ruch konwekcyjny powietrza wewnątrz kolektora i przekazywanie ciepła z absorbera na szybę (od spodu) Powstają w ten sposób dodatkowe straty konwekcyjne Q2, które są tym większe, im większa temperatura absorbera. W skrajnym przypadku, przy braku odbioru ciepła przez instalację (wyłaczona pompa obiegowa), temperatura może być tak wysoka, że ilość wypromieniowywanej energii jest równa ilości energii padającej na kolektor. Sprawność cieplna kolektora wynosi wtedy 0%, a temperatura przy której zachodzi powyższe zjawisko nosi nazwę tzw. temperatury stagnacji kolektora.
Z napromieniowanej energii słonecznej (G0), z powodu różnych strat energii G1, G2, Q1 i Q2, pozostaje strumień (QA) który jest ostatecznie użyteczny.