Kolektory słoneczne stacjonarne i nadążne różnych stopni swobody. Energia słoneczna do napędu urządzeń klimatyzacyjnych
W artykule opisano analizę pracy kolektorów słonecznych zastosowanych do napędu klimatyzatora strumienicowego małej mocy, służącego do chłodzenia pomieszczeń poddasza domu jednorodzinnego. Analizie poddano różne warianty kolektorów stacjonarnych i nadążnych. Szczególną uwagę poświęcono kolektorowi nadążnemu wokół ukośnej osi obrotu. Do analiz wykorzystano specjalnie opracowany dla tych potrzeb program obliczeniowy promieniowania słonecznego dla terenu Polski.
Typowym, współczesnym zastosowaniem kolektorów słonecznych jest wytwarzanie ciepłej wody użytkowej. Znaczny postęp technologiczny jaki nastąpił w budowie kolektorów oraz upowszechnienie ich produkcji spowodowały, że łatwo je dostosować do napędu chłodniczych urządzeń klimatyzacyjnych. Do współpracy z kolektorami predestynowane są przede wszystkim obiegi absorpcyjne i strumienicowe. Oba te obiegi pozostają aktualnie nieco na uboczu chłodnictwa krajowego ze względu na dominację masowej produkcji urządzeń sprężarkowych.
Kolektory słoneczne
Kolektory słoneczne w zakresie ich położenia dzielą się na dwa podstawowe typy: stacjonarne i nadążne. Pierwsze z nich mocowane są najczęściej ściśle do powierzchni dachu lub ściany budynku, drugie z kolei wymagają specjalnej konstrukcji, która umożliwia wykonywanie obrotu kolektora - najczęściej za pomocą silnika elektrycznego.
Zaletą kolektorów stacjonarnych jest prosty montażu, odporność na porywisty wiatr, łatwość wkomponowania w architekturę budynku, brak części ruchomych. Ich wadą jest konieczność znalezienia lokalizacji możliwie najbardziej zorientowanej na południe i nachylonej pod pewnym kątem. Kolektory tego typu pochłaniają promieniowanie słoneczne w pewnej tylko porze dnia (np. w południe) natomiast w pozostałych porach kąt padania promieni słonecznych względem normalnej do płaszczyzny kolektora jest zbyt duży. Kolektory nadążne "śledzą" położenie słońca i w zależności jakie maja stopnie swobody dążą do zmniejszenia kąta pomiędzy normalną do płaszczyzny kolektora a bieżącym kierunkiem padania promieni (stąd nazwa nadążne). Ich zaletą jest więc maksymalizowanie pochłanianego promieniowania niezależnie od pory dnia i pozycji słońca. Wadą kolektorów nadążnych jest skomplikowana budowa, awaryjność konstrukcji ruchomej a w szczególności jej wrażliwość na porywiste wiatry i oblodzenie. Kolektory takie zazwyczaj trudno jest wkomponować w architekturę budynku pomimo ich wizualnej atrakcyjności oraz intrygującego, nowoczesnego wyglądu. Kolektory nadążne znakomicie nadają się do skupiania promieni słonecznych co w warunkach krajowych pozwala przekroczyć gęstości promieniowania 1000W/m2 a więc umożliwia osiągniecie temperatury napędowej urządzeń chłodniczych z zakresu 150-400oC. Wysokie temperatury uzyskiwane w skupiających kolektorach słonecznych pozwalają absorpcyjnym i strumienicowym urządzeniom chłodniczych osiągnąć wysokie wartości współczynnika COP (rys. 2) (które obliczone zostały na podstawie [2]).
Do przeprowadzenia niniejszych analiz opracowano specjalny program obliczeniowy pozwalający na modelowanie bilansu promieniowania słonecznego w zadanym przedziale roku dla dowolnie nachylonej powierzchni. Bilansowanie polega na zliczaniu krok po kroku (w praktyce wystarcza 1-30 minut) chwilowych wartości gęstości promieniowania [W/m2] bezpośredniego, rozproszonego i odbitego. Bilansowanie prowadzi się w zadanym przedziale roku a następnie porównuje otrzymane sumy wyznaczone dla różnych konfiguracji płaszczyzny. Metodologię obliczeń zależności geometrycznych zaczerpnięto z [1]. Niektóre ze wzorów wymagały przebudowy i uzupełnienia o dodatkowe kąty obrotu płaszczyzny wokół nachylonej osi. Analizie poddano trzy kąty geometrii płaszczyzny kolektora (rys. 3) w tym dwa podstawowe opisywane w [1, 3]:
# U - kąt azymutu wyznaczany przez jego orientację przykładowo: na północ 0o, wschód 90o, południe 180o, zachód 270o. Zwyczajowo najlepsza jest południowa gdzie U=180o. # ß - kąt nachylenia płaszczyzny kolektora względem poziomu posiadający dwa przypadki szczególne: kolektor poziomy dla ß=0o oraz pionowy dla ß=90o.
Kolektory słoneczne nadążne, nieskupiające
Kolektory nadążne zwyczajowo rozpatrywane są w trzech podstawowych typach nadążności:
# w płaszczyźnie poziomej (poziomo nadążny),
# w płaszczyźnie pionowej (pionowo nadążny),
# w płaszczyźnie poziomej i pionowej (dwupłaszczyznowo).
Specjalnie na potrzeby niniejszego opracowania dodano, czwarty typ nadążności:
# wokół nachylonej osi (ukośnie nadążny)
Zrozumienie specyfiki kolektorów nadążnych wymaga tu pewnego opisu sposobu obracania płaszczyzny pochłaniającej w trzech kątowych stopniach swobody U, ß, y. Najprostszym w spotykanych realizacjach grzewczych jest kolektor poziomo nadążny. Do jego obracania wystarcza karuzelowy typ stelażu, przy czym kąt nachylenia ß jest stały.
Kolektorem słonecznym praktycznie nieobecnym w literaturze jest kolektor nadążny wokół nachylonej (ukośnej) osi rys. 9. Ten typ pracy wymaga dysponowania płaszczyzną bazową o stałym nachyleniu (np. dach budynku). W przeciwieństwie do kolektora stacjonarnego, teraz odchyla się on bocznie w kierunku wschodnim lub zachodnim. Konstrukcja taka nie stwarza problemów architektonicznych i jest stosunkowo odporna na porywiste wiatry. Także dla tego typu pracy wyznaczyć można wartości sum miesięcznych promieniowania łącznego w zależności od kąta nachylenia ß (rys. 10) oraz optymalne wartości kąta pochylenia ß (tab. 3).
Dobowe charakterystyki promieniowania
Oprócz porównań bazujących na sumach promieniowania warto zwrócić uwagę na zmienność uzyskiwanej gęstości promieniowania [W/m2] w skali doby. Porównanie takie wymaga zestawienia wyników obliczeń modelowych dla tego samego dnia - w tym przypadku wybrano 22 czerwca jako dzień bliski przesilenia letniego. W okresie tym słońce doprowadza do powierzchni ziemi znaczne ilości energii czego skutkiem są w tym okresie wysokie temperatury powietrza. Na rys. 14 zestawiono charakterystyki dobowe gęstości promieniowania docierającego do kolektorów o różnych stopniach swobody i dla różnych kątów nachylenia ß. Jako krzywą porównawczą na każdym z czterech wykresów pokazano czarną linią wartość promieniowania dla kolektora dwupłaszczyznowego. Osiąga on największe gęstości promieniowania [W/m2] oraz zajmuje najszersze pole na wykresie.
Wnioski
Porównanie opisanych powyżej różnych typów kolektorów pokazuje, że urządzenia klimatyzacyjne napędzane za ich pomocą zbudować można w kilku wariantach. Warto przy tym pamiętać o kilku zasadach:
# stosując kolektor płaski (wykorzystujący promieniowanie bezpośrednie, rozproszone i odbite) należy zachować optymalny kąt nachylenia. Optymalnym azymutem jest geograficzny kierunek południowy a kątem nachylenia dla pracy w ciągu miesięcy letnich 25-35o. Obliczone wartości są zgodne z innymi publikacjami [1,3];
# wybierając kolektor płaski poziomo nadążny dla promieniowania łącznego należałoby ustawić optymalny kąt nachylenia 45-55o a dla skupiającego 55-60o;
# dla kolektora ukośnie nadążnego dla promieniowania łącznego optymalny kąt nachylenia wynosi 55-60o a dla skupiającego kąt 45-50o;
# opisana metoda ukośnie nadążnego odchylania kolektora jest stosunkowo prosta w realizacji technicznej, jest on mało wrażliwy na porywiste wiatry i niekłopotliwy architektonicznie. Praktyczna realizacja techniczna wbudowania w połać dachową kolektora dwupłaszczyznowo lub tylko poziomo nadążnego jest znacznie trudniejsza od wbudowania kolektora ukośnie nadążnego;
# kolektory ukośnie nadążne można łatwo połączyć (rys. 11) we współpracujące ze sobą zestawy ze wspólnym mechanizmem obracającym. Analogiczna konstrukcja połączonych kolektorów poziomo nadążnych jest znacznie trudniejsza w realizacji.
# analiza optymalnych kątow nachylenia pokazuje, że dla budowanych w Polsce domów jednorodzinnych (typowych katów pochylenia dachów) właściwsze byłoby zastosowanie kolektora ukośnie nadążnego w technologii skupiającej niż płaskiej.
LITERATURA
[1] J. NOWICKI: Promieniowanie słoneczne jak źródło energii. Arkady, Warszawa 1980.
[2] A. PALIWODA: Urządzenia chłodnicze strumienicowe, WNT, Warszawa 1971.
[3] Z.P LUTA: Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2000.
[4] Artykuł w druku (krajowa konferencja naukowo-techniczna).
Autor:
Jacek KASPERSKI, Wrocław
Źródło:
Chłodnictwoi & Klimatyzacja 2006/11
