Budowa i pomiary skrzynkowego kolektora słonecznego

Łukasz TOMKÓW
Politechnika Wrocławska
Budowa i pomiary skrzynkowego kolektora słonecznego
Artykuł traktuje o znajdującym się obecnie w fazie budowy powietrznym skrzynkowym kolektorze
słonecznym. W tym kontekście opisane zostały zasoby energii słonecznej Ziemi i Polski ze szczególnym
uwzględnieniem rejonu Dolnego Śląska, a także scharakteryzowane zostały najważniejsze parametry
stosowane przy analizowaniu możliwości wykorzystania w danym miejscu kolektorów płaskich.
Przedstawiona została budowa urządzenia oraz aktualny stopień realizacji projektu. Opisano
planowane ukształtowanie i umieszczenie w kolektorze blachy z pokryciem selektywnym (służącej jako
absorber promieniowania i wymiennik ciepła), a także jej wymiary i charakterystyka pokrycia. Sporządzona
została lista części składających się na konstrukcję wzmacniającą urządzenia oraz sposób ich połączenia, a
także potencjalne słabe punkty konstrukcji i sposób zniwelowania problemów z nich wynikających.
Zamieszczony został również opis izolacji (zastosowanie sylikonu, poliwęglanu komorowego i piankowego
polistyrenu) wraz z przyczynami takiego doboru materiałów. Przedstawione zostały też elementy
pomocnicze (wentylatory, termopary, wloty) wraz ze sposobem ich zastosowania.
Opisano możliwości wykorzystania kolektora skrzynkowego. Scharakteryzowano użycie go do
ogrzewania pomieszczeń wraz z wykazaniem zalet predestynujących urządzenie do roli wstępnego
podgrzewacza powietrza. Innym potencjalnym zastosowaniem jakie przedstawiono jest suszenie płodów
rolnych. Stricte energetycznym wykorzystaniem urządzenia opisanym w artykule jest suszenie biomasy tak,
aby podnieść jej wartość opałową poprzez zmniejszenie udziału masowego wilgoci w paliwie.
Scharakteryzowane zostały pomiary jakie będą dokonywane z użyciem budowanego kolektora oraz
jego ostateczne przeznaczenie. Przedstawiono ich cel i wykorzystywane urządzenia (łącznie z opisem ich
umieszczenia) oraz planowane warunki przeprowadzania doświadczeń i przyczyny takiego doboru badanych
wartości i sposobu przeprowadzenia badań.
Wstęp
Słońce jest najpotężniejszym źródłem wykorzystywanej energii. Wysyła promieniowanie o
długości fal od milionowych części mikrometra (np. fale Rentgena) po dziesiątki km (fale
radiowe). W meteorologii rozróżnia się promieniowanie krótkofalowe (0,1 do 4,0 μ ) i
długofalowe ( 4 do 120 μ ). Promieniowanie słoneczne składa się w 99 % z
promieniowania krótkofalowego
Zasoby energii słonecznej na Ziemi
Około 40% promieniowania słonecznego dochodzącego do naszej planety jest odbijane
przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, 40% zaś dociera do powierzchni Ziemi.
Ilość promieniowania docierającego do powierzchni nie jest rozłożona równomiernie.
Zależy od licznych czynników takich jak szerokość geograficzna, pora roku i dnia, pogoda
i zanieczyszczenie powietrza1.
Rys.1
W promieniowaniu słonecznym docierającym do powierzchni Ziemi wyróżnia się trzy
składowe:
-bezpośrednie
pochodzi
od
widocznej
tarczy
słonecznej
-rozproszone powstaje w wyniku wielokrotnego załamania na składnikach atmosfery
- odbite powstaje w skutek odbić od elementów krajobrazu i otoczenia2.
Zasoby energii słonecznej w Polsce
Roczna gęstość promieniowania słonecznego w Polsce na płaszczyznę poziomą waha się
w granicach 956 - 1081 kWh/m2, natomiast średnie nasłonecznienie wynosi 1600 godzin
na rok. Rozkład promieniowania słonecznego w ciągu roku jest nierównomierne - około
80% całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia przypada na sześć miesięcy sezonu
wiosenno-letniego, od początku kwietnia do końca września, przy czym czas oświetlenia
przez słońce w lecie wydłuża się do 16 godz/dzień, natomiast w zimie skraca się do 8
godzin dziennie.
Wielkości napromieniowania słonecznego nie należy mylić z rozkładem temperatur. Dane
statystyczne dla temperatury powietrza mogą nam dostarczyć jedynie informacji ogólnych
wskazujących na dobór urządzeń grzewczych dla centralnego ogrzewania.
W naszym kraju generalnie istnieją dobre warunki do wykorzystania energii
promieniowania słonecznego przy dostosowaniu typu systemów i właściwości urządzeń
wykorzystujących tę energię do charakteru, struktury i arozkładu w czasie promieniowania
słonecznego.
Z punktu widzenia wykorzystania energii promieniowania słonecznego w kolektorach
płaskich najistotniejszymi parametrami są roczne wartości nasłonecznienia (insolacji) wyrażające ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni płaszczyzny w
określonym czasie.
Rys. 2. Rejonizacja średniorocznych sum promieniowania słonecznego całkowitego
padającego na jednostkę powierzchni poziomej w kWh/m2/rok
Budowa
Na urządzenie składa się kilka podstawowych elementów. Są to blacha z pokryciem
selektywnym (pełniąca rolę absorbera i wymiennika ciepła), izolacja, konstrukcja
wzmacniająca i części pomocnicze. W chwili
obecnej zakończona jest konstrukcja dolnej
części urządzenia (widoczna na załączonym
zdjęciu). Do wykonania została jeszcze górna
rama oraz prawdopodobnie najtrudniejszy etap
konstrukcji – zagięcie blachy w odpowiedni
kształt, na końcu zaś całość zostanie złożona i
rozpocznie się kolejny etap projektu, szerzej
opisany dalej.
Blacha z pokryciem selektywnym to
najważniejsza część kolektora. Pokrycie
selektywne to cienka warstwa tlenku tytanu
umieszczona na arkuszu blachy miedzianej.
Znajdować się będzie w środkowej części
urządzenia, nad podwójną warstwą izolacji. Zostanie ukształtowana w taki sposób by
zmaksymalizować ilość pochłanianego promieniowania i jednocześnie powierzchnię
oddawania ciepła powietrzu, oraz by i tak trudny proces przygotowania nie był zbyt
skomplikowany i długotrwały. Zdecydowaliśmy się zatem zginać ją tak by utworzyć falistą
powierzchnię składającą się z trójkątów równobocznych o wysokości 40 mm. Tak
ukształtowana blacha będzie miała wymiary 100 x 80 cm, co oznacza, że powierzchnia
robocza kolektora wyniesie około 0,8 m2. Blacha wzmocniona zostanie dwustronnie tak
aby nie wyginała się i nie wchodziła w kontakt z izolacją.
Jako izolację dolną zastosowaliśmy płytę z piankowego polistyrenu. Izolacja ta ma
grubość 2,5 cm przy wlotach i 5 cm pod blachą, z którą nie styka się w żadnym punkcie ze
względu na możliwość termicznego uszkodzenia jej. Górna część izolacji to pojedyncza
płyta z poliwęglanu komorowego. Jest ona przezroczysta, co umożliwi promieniom
słonecznym docieranie do blachy, a jednocześnie ze względu na komorową budowę
zachowuje wysokie parametry termoizolacyjne. W charakterze izolacji bocznej
zdecydowaliśmy się wykorzystać przyklejane uszczelki. Ostatnią częścią wymagającą
zaizolowania są wloty powietrza, tam zastosujemy sylikon. Dobór materiałów
podyktowany był nie tylko właściwościami termoizolacyjnymi, ale też możliwością
nadawania materiałowi odpowiedniego kształtu (to właśnie wymusiło na nas zastosowanie
sylikonu przy izolowaniu wlotów). Oprócz minimalizacji strat cieplnych izolacja służy też
odpowiedniemu kształtowaniu przepływu powietrza. W tym celu przygotujemy płytki,
bądź styropianowe wkłady które umieścimy we wlotach.
Konstrukcja wzmacniająca będzie składać się z dwóch ram: dolnej, utrzymującej
najcięższe części urządzenia jakimi są blacha i izolacja dolna oraz górnej w której znajdzie
się płyta poliwęglanowa. Dolna rama zbudowana jest z aluminiowych płaskowników
połączonych na rogach kątownikami. Całość zabezpieczona została przed zginaniem i
traceniem przez to prostokątnego kształtu ramy poprzez umieszczenie na dole płyty
plastikowej. W tej części znajdują się również otwory w których umieszczone zostały
wloty powietrza. Górna rama będzie znacznie węższa niż dolna, będzie składać się z
mniejszych kształtowników i opierać się na kątownikach ramy dolnej. Jej zadanie to
utrzymanie płyty poliwęglanowej w bezpiecznej odległości od blachy. Cała konstrukcja
zostanie wzmocniona dodatkowo kwadratowymi kształtownikami umieszczonymi w
poprzek urządzenia.
Do części pomocniczych należą wloty, urządzenia pomiarowe, wentylator i rury
którymi powietrze będzie dostarczane i odbierane z kolektora. Wykorzystaliśmy
plastikowe wloty typowe dla urządzeń klimatyzacyjnych, zostały odpowiednio przycięte i
przytwierdzone do ramy za pomocą śrub. Pomiarów planujemy dokonywać za pomocą co
najmniej dwóch termopar i przepływomierza oraz okazjonalnie miernika natężenia
promieniowania. Wentylator (prawdopodobnie zaopatrzony w regulator obrotów) i rury
zostaną dobrane w trakcie badań.
Zasada działania jest identyczna jak w przypadku płaskich kolektorów słonecznych,
z tą różnicą, że nie występują w nim rurki pełniące rolę wymienników ciepła. Powietrze
rozpędzone przez wiatrak będzie trafiało do wnętrza kolektora przez jeden z wlotów.
Następnie w komorze roboczej będzie opływało nagrzaną przez promieniowanie blachę z
pokryciem selektywnym. Oddane przez nią ciepło będzie nagrzewało powietrze, które
następnie opuści kolektor przez wylot. Blacha będzie spełniała zatem podwójną rolę –
będzie jednocześnie absorberem i wymiennikiem ciepła. Takie rozwiązanie upraszcza
budowę kolektora (w przypadku rozwiązania problemu z nadaniem blasze odpowiedniego
kształtu).
Zastosowanie
Kolektory słoneczne powietrzne są wykorzystywane najczęściej w systemach
ogrzewania powietrznego i służą do wstępnego podgrzewu powietrza. Posiadają liczne
cechy sprawiające, że są jednym z najlepszych dla tego celu rozwiązań. Prosta budowa
pozwala na zminimalizowanie kosztów, zaś wykorzystanie jednego medium umożliwia
uniknięcie strat energii związanych z wymianą ciepła. Ponieważ urządzenia te działają w
stosunkowo niskiej temperaturze podgrzane powietrze może zostać wykorzystane
bezpośrednio. Oczywiście możliwe jest też dołączenie go do systemu urządzeń
grzewczych. Teoretycznie da się nawet wykorzystywać kolektor bez użycia wentylatorów
wykorzystując zjawisko konwekcji – kolektor sam może zasysać chłodne powietrze w
dolnej części, które po podgrzaniu opuszczałoby go górnym wylotem. Minimalizuje to
koszty eksploatacyjne, jednakże zmniejsza też efektywność działania. Rozwiązanie takie
miałoby zastosowanie tylko w przypadku konieczności nieznacznego podgrzania
ogrzewanej przestrzeni.
Kolejnym potencjalnym zastosowaniem urządzenia może być suszenie płodów
rolnych. Proces ten polega na zmniejszeniu ilości wody poprzez jej odparowanie. Proces
ten ma duże znaczenie w przemyśle spożywczym ponieważ zapobiega rozwojowi
drobnoustrojów przyczyniających się do rozkładu płodów rolnych oraz w znacznym
stopniu ogranicza przebieg przemian enzymatycznych i nieenzymatycznych. Już teraz
wykorzystywane są słoneczne suszarnie płodów rolnych, zarówno płaskie jak tunelowe.
Przy odpowiednio wysokiej sprawności uzasadniona jest możliwość wykorzystania do
celów suszarniczych kolektora budowanego przez nasz zespół.
Urządzenie może mieć też zastosowanie w przemyśle stricte energetycznym.
Suszenie biomasy polega również na odparowaniu wody jednak inny jest cel takiego
procesu. Dzięki usunięciu wody znacznie podnosi się wartość opałowa biomasy - nawet o
10 GJ/t – warto więc przynajmniej wstępnie ją podsuszyć, by odnieść wymierne korzyści.
Biorąc pod uwagę fakt, że wkład energii potrzebny do działania kolektora jest stosunkowo
niewielki w porównaniu z zyskami w wartości opałowej sensowne wydaje się
wykorzystanie urządzenia w tym celu. Ze względu na łatwość montażu urządzenia może
ono zostać wykorzystane już w obszarach pozyskiwania biomasy, co daje dodatkowy zysk
w postaci zmniejszenia ciężaru transportowanego do miejsca wykorzystania surowca.
Istnieje również możliwość zastosowania urządzenia w celach rekreacyjno
gastronomicznych – strumień gorącego powietrza może nadawać się do przygotowywania
posiłków zwykle pieczonych w ogniu bądź na grillu. Rozwiązanie takie może odnieść
sukces komercyjny ze względu na odwołanie się do obecnie panujących trendów
związanych z ekologicznym stylem życia oraz zdrową żywnością. Takie zastosowanie
urządzenia wymaga jednak dalszych badań oraz ogranicza niestety możliwy czas
przygotowywania posiłków do pory dziennej.
Plany na przyszłość
Kolektor budowany jest przede wszystkim w celach pomiarowych. Nie został
zaprojektowany by wytrzymać warunki zewnętrzne takie jak silny wiatr i deszcz, w
związku z czym większość pomiarów będzie wykonywana w laboratorium. Za pomocą
termopar dokonamy pomiarów temperatur na wlocie i wylocie kolektora. Dodatkowo
interesującym byłby pomiar temperatury pod jedną z warstw izolacji w celu zbadania jej
skuteczności. Wszystkie pomiary będą miały na celu wyznaczanie sprawności w
zależności od różnych czynników. Przede wszystkim interesować nas będzie zależność od
temperatury otoczenia, ilości promieniowania docierającej do urządzenia i wielkości
przepływu. Po dokonaniu tych pomiarów dokonamy ewentualnych ulepszeń w konstrukcji
i koncepcji dalszego rozwoju.
Planujemy przeanalizować między innymi możliwość połączenia tego typu
urządzeń w większy system oraz praktycznego ich zastosowania. Wyciągnięte z tego
projektu wnioski pozwolą też na opracowanie lepszych urządzeń w przyszłości. Oprócz
tego porównanie ze zbadanymi już kolektorami znajdującymi się w laboratorium
operującymi na zwykłej blasze miedzianej pozwoli ocenić jakość i działanie pokrycia
selektywnego a także jego wpływ na sprawność urządzeń. Ostatecznym przeznaczeniem
budowanego przez nas obecnie kolektora jest uczynienie z niego jednego z badanych
urządzeń podczas ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu Termodynamika.
Bibliografia
[1] http://www.eco-energy.org.pl/, pobrane 12.03.2010 r.
[2] http://www.wis.pk.edu.pl/, pobrane 12.03.2010 r.
[Rys. 1] http://wwo.ely.pg.gda.pl/~zkusto/Energia_odnawialna/Wyklady/, pobrane 11.03.2010 r.
[Rys. 2] http://www.suntime.pl/style/polska.JPG, pobrane 11.03.2010 r.