P.A.N sprawozdanie z badan - Thermosolar, kolektory słoneczne

Transkrypt

Zakład Problemów Eko-Budownictwa
Instytut Podstawowych Problemów Techniki
Polskiej Akademii Nauk
SPRAWOZDANIE
Z PRZEPROWADZONYCH BADAŃ I WYKONANIA
CHARAKTERYSTYK CIEPLNYCH
KOLEKTORA PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO
HELIOSTAR 202 FIRMY THERMO-SOLAR POLSKA
Nr umowy: IPPT/1419/2001 z dnia 10.04.2001
Warszawa
Lipiec 2001
Sprawozdanie z badań kolektora promieniowania słonecznego HELIOSTAR 202
firmy THERMO-SOLAR POLSKA
Badania kolektora promieniowania słonecznego HELIOSTAR 202 firmy
THERMO-SOLAR POLSKA wykonano w laboratorium Zespołu Energetyki
Słonecznej Zakładu Problemów Ekobudownictwa IPPT PAN
Zespół realizujący temat:
Dr hab. inż. Zbysław Pluta1)
Dr inż. Ryszard Wnuk2) – kierownik tematu
1)
2)
Politechnika Warszawska, Instytut Techniki Cieplnej
Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, Zakład Problemów
Eko-Budownictwa
Zakład Problemów Eko-Budownictwa IPPT PAN
2
Spis treści:
1.
PRZEDMIOT I CEL BADAŃ ................................................................ 4
2.
STANOWISKO POMIAROWE ........................................................... 5
3.
PRZEBIEG BADAŃ ................................................................................ 7
3.1.
Justowanie symulatora promieniowania słonecznego (ustalenie
wzajemnej geometrii kolektor - symulator) ...................................... 7
3.2.
Sporządzenie charakterystyk przepływowych i termicznych .......... 9
4.
WYNIKI POMIARÓW ........................................................................... 10
4.1.
Charakterystyki w funkcji temperatury wody .................................. 10
4.2.
Charakterystyki w funkcji wydatku .................................................. 14
5.
OSZACOWANIE STAŁEJ CZASOWEJ KOLEKTORA .................. 15
6.
SZACUNEK PRZEWIDYWANYCH ZYSKÓW
ENERGETYCZNYCH INSTALACJI Z BADANYM
KOLEKTOREM ...................................................................................... 17
7.
WNIOSKI Z BADAŃ I OCENA KONSTRUKCJI .............................. 20
Literatura .................................................................................................. 21
3
1.
PRZEDMIOT I CEL BADAŃ
Zespół Energetyki Słonecznej Zakładu Problemów Eko-Budownictwa IPPT PAN, na zlecenie
firmy
ENERGIA
SŁONECZNA
THERMO-SOLAR
POLSKA,
58-200
Dzierżoniów,
ul. Słonecznikowa 12, przeprowadził badania laboratoryjne kolektora promieniowania
słonecznego HELIOSTAR 202. Celem badań było określenie podstawowych charakterystyk
cieplnych i przepływowych kolektora płaskiego z pojedynczym kanałem przepływowym w
postaci serpentyny z odcinkami prostymi równoległymi do krótszego boku kolektora. Kolektor
ten charakteryzuje się następującymi parametrami technicznymi:
Wymiary zewnętrzne brutto
2,008 × 1,008 m
Liczba i średnica kanałów
przepływowych
1 szt.
Kanały zbiorcze:
rury miedziane z króćcami przyłączonymi po obu
stronach każdego kanału
Powierzchnia zewnętrzna
2,024 m2
Powierzchnia czynna
absorbera
1,742 m2
Zgodnie ze zleceniem badania, przeprowadzone w warunkach laboratoryjnych przy użyciu
symulatora promieniowania słonecznego, miały na celu:
a)
sporządzenie bezwymiarowych charakterystyk eksploatacyjnych kolektora o postaci
η = a1 − b1
η = a 2 − b2
t f − to
G
t f − to
G
 t f − to 

− c 2 
G


2
gdzie:
4
η - sprawność cieplna kolektora,
tf
- średnia temperatura czynnika w kolektorze, [0C] definiowana jako:
t fi + t fo
tf =
2
tfi - temperatura wody podawanej do kolektora, [0C]
tfo - temperatura wody opuszczającej kolektor, [0C]
to
- temperatura otoczenia, [0C]
G - gęstość strumienia promieniowania docierającego do frontowej powierzchni
kolektora, [W·m-2]
b)
określenie zależności sprawności cieplnej kolektora w funkcji wydatku masowego
przepływającego czynnika (wody) dla stałej wartości gęstości strumienia promieniowania
padającego na kolektor, stałej temperatury czynnika na wlocie do kolektora i stałej
temperatury otoczenia,
c)
określenie stałej czasowej kolektora,
d)
oszacowanie rocznych zysków energetycznych z jednostki powierzchni kolektora przy
jego eksploatacji w polskich warunkach klimatycznych.
Wymienione powyżej badania zostały wykonane zgodnie z metodyką opisaną w pracy [1],
z uwzględnieniem zaleceń dotyczących tego typu badań podanych w normie ISO 9806-1:1994
oraz ASHRAE Standard 93-77 [2, 3].
2.
STANOWISKO POMIAROWE
Testy kolektora promieniowania słonecznego przeprowadzono na specjalnym stanowisku
badawczym Zespołu Energetyki Słonecznej Zakładu Problemów Eko-Budownictwa IPPT PAN.
Badania prowadzono z wykorzystaniem symulatora promieniowania słonecznego SS-24
odwzorowującego zgodnie z normą ASHRAE 93-77 promieniowanie słoneczne o rozkładzie
widmowym AIR MASS 2. Symulator promieniowania słonecznego SS-24, jako urządzenie do
prowadzenia badań kolektorów i instalacji słonecznych, spełnia wymogi stawiane tego typu
jednostkom
produkowanym
na
świecie,
a
dotyczących
charakterystyki
widmowej,
równomierności napromieniowania, natężenia promieniowania, kolimacji i rodzaju pracy.
Parametry wyżej wymienione są w odniesieniu do symulatora słonecznego SS-24 nastepujące:
5
Charakterystyka
Jako wzorcowy rozkład widmowy promieniowania słonecznego przyjęto
widmowa
rozkład AM2. Część emisyjna symulatora, złożona z 40 halogenkowych
lamp wyładowczych o mocy 400 W każda i 8 halogenowych żarówek
typu LH-41 o mocy 1000 W każda, zapewnia taki rozkład widma
promienio-wania
symulatora,
w
którym
46,5%
całkowitej
wypromieniowanej energii zawarte jest w przedziale długości fali
400 ÷ 700 nm (odchyłka 5% w stosunku do rozkładu AM2), 53.5%
w przedziale 700 ÷ 2000 nm (1% odchylenia wobec AM2).
Natężenie
Maksymalne natężenie promieniowania symulatora wynosi ~ 1000 Wm-2.
promieniowania
Przy projektowaniu odbłyśników do lamp i ich ustawieniu przyjęto, że
i geometria
badana powierzchnia robocza kolektora jest
powierzchni
emisyjnej symulatora promieniowania słonecznego o ok. 3,5 m. Istnieje
roboczej
możliwość płynnej regulacji natężenia promieniowania poprzez zmianę
oddalona od części
tej odległości jak i skokowej regulacji poprzez włączanie sekcji lamp
(symulator wyposażono w 4 niezależne sekcje po 10 lamp i 2 żarówki
każda).
Równomierność
Poprzez ustawienie lamp i odbłyśników, dla zadanej powierzchni
promieniowania
roboczej odchyłki od wartość średniej natężenia promieniowania są
mniejsze niż 9% dla wszystkich stanów pracy symulatora.
Kolimacja
Wiązka energii wypromieniowana z symulatora zawarta jest w bryle,
której promienie skrajne tworzą z normalną do powierzchni roboczej kąty
od 4 do 120.
Rodzaj pracy
Symulator SS-24 jest przeznaczony do pracy ciągłej. Część emisyjna
symulatora może być podnoszona do wysokości 3,5 m oraz obracana
w zakresie kątów 0 ÷ 900.
Badany kolektor promieniowania słonecznego był w trakcie badań ustawiany na
ruchomym statywie, który umożliwia jego pochylenie w zakresie 0 ÷ 900 (licząc od płaszczyzny
horyzontalnej) oraz zmianę położenia (odległości) w stosunku do części emisyjnej symulatora.
Na statywie umieszczone są sondy pomiarowe oraz króćce do podłączania kolektora.
Do pomiaru temperatur (wlotowa na kolektor, przyrost temperatury na kolektorze,
otoczenia) zastosowano termoelementy płaszczowe typu K. Termoelementy umieszczono
6
w specjalnych sondach. Sonda do pomiaru temperatury otoczenia nie podlega bezpośredniemu
wpływowi promieniowania symulatora i układu wentylacyjnego pomieszczenia. Rejestracja
temperatury odbywa się w sposób cyfrowy z wykorzystaniem rejestratora programowalnego
MOLYTEK model 3702 produkcji USA o dokładności odczytu temperatury 0,15 0C z zapisem
mierzonych wartości na dysku komputera. Pomiar gęstości strumienia promieniowania
w płaszczyźnie
kolektora
prowadzono
piranometrem
CC - 12
z
dwoma
czujnikami
pomiarowymi o czułości 1 W·m-2 produkcji holenderskiej firmy Kipp & Zonen.
Do pomiaru wydatku przepływającej wody zastosowano rotametry o zakresie
pomiarowym 0 ÷ 90 kg·h-1 oraz 0 ÷ 170 kg·h-1 (dokładność wskazań 0,5 kg·h-1).
3.
PRZEBIEG BADAŃ
3.1. Justowanie symulatora promieniowania słonecznego (ustalenie wzajemnej
geometrii kolektor - symulator)
Badania
kolektora
promieniowania
słonecznego
z
wykorzystaniem
symulatora
promieniowania słonecznego będącego na wyposażeniu laboratorium Zespołu Energetyki
Słonecznej Zakładu Problemów Eko-Budownictwa IPPT PAN, poprzedza ustalenie wzajemnej
konfiguracji (wzajemna odległość, kąt pochylenia symulatora) kolektor – symulator, w celu
osiągnięcia jak największej równomierności napromieniowania powierzchni badanego kolektora
słonecznego. Zachodzi konieczność znalezienia takiego wzajemnego usytuowania kolektora
względem części emisyjnej symulatora, aby w możliwie największym stopniu zapewnić
naświetlenie jego powierzchni zgodnie z wymaganiami stawianymi przez normę ASHRAE 9377 [2]. Doboru optymalnego usytuowania dokonano metodą prób. Dla różnych położeń
kolektora względem symulatora (jego odległości od powierzchni czołowej symulatora, jego
przesunięcia w poziomej osi symetrii względem symulatora, jak również różnych kątów
pochylenia samego symulatora) wykonywano pomiary gęstości strumienia promieniowania
docierającego do powierzchni kolektora w 54 regularnie rozmieszczonych punktach
pokrywających całą powierzchnię apertury kolektora. Z pomiarów tych sporządzano mapy
rozkładów promieniowania oraz wyliczano wartości średnie i mapy rozkładów odchyłek od
średnich. Poniżej zaprezentowano ostateczny rozkład gestości strumienia promieniowania na
powierzchniękolektora, dla przyjętego optymalnego ustawienia.
7
Rozkład gęstości strumienia
promieniowania.
Procentowe odchyłki promieniowania od wartości średniej
Rys. 1. Rozkład gęstości strumienia promieniowania i odchyłek od wartości średniej na
powierzchni frontowej badanego płaskiego kolektora promieniowania słonecznego.
Rys. 1 przedstawia rozkład promieniowania docierającego na płaszczyznę kolektora dla
ustawienia optymalnego oraz mapę nierównomierności promieniowania w procentach. Na 89,5%
powierzchni apertury kolektora odchyłki gestości strumienia promieniowania od wartości
średniej są mniejsze od 10%.
Mapa odchyłek promieniowania od średniej umożliwia zlokalizowanie miejsca
umieszczenia mierników promieniowania (2 szt.) w sposób zapewniający pomiar wartości
średniej gęstości strumienia promieniowania (w miejscach zerowej odchyłki wartości lokalnej
napromieniowania od wartości średniej).
8
3.2. Sporządzenie charakterystyk przepływowych i termicznych
We wszystkich pomiarach kolektor ustawiony był pod kątem 500 względem poziomu.
Wydatek wody zasilającej kolektor w trakcie pomiarów charakterystyk cieplnych w funkcji
temperatury wody podawanej do kolektora ustalony był na poziomie 0,0339 ± 0,0005 litra na
sekundę, co odpowiada zalecanej w normach wartości 0,02 kg·s-1 na każdy metr kwadratowy
powierzchni absorbera kolektora. Woda przepływająca przez kolektor krążyła w obiegu
zamkniętym z ultratermostatem, w którym stabilizowano temperaturę wody podawanej do
kolektora. Wszystkich pomiarów dokonano dla średniej gęstości strumienia promieniowania
G = 700 ± 10 W·m-2 mierzonej w płaszczyźnie zewnętrznej powierzchni pokrycia frontowego
kolektora. Temperatura powietrza w pomieszczeniu laboratoryjnym była zmienna w trakcie
poszczególnych pomiarów w zakresie 25 ÷ 28 0C w zależności od aktualnych warunków
meteorologicznych. We wszystkich pomiarach wentylatory ustawione obok kolektora
wymuszały ruch powietrza wzdłuż powierzchni napromieniowanej kolektora ze średnią
prędkością 1 m·s-1.
Dla znalezienia zależności sprawności kolektora od wydatku masowego wody
przepływającej kanałami kolektora wykonano pomiary zasilając kolektor wodą sieciową bez
podgrzewania. Wydatek masowy w trakcie badań był zmieniany w zakresie od 0,00623 do
0,0432 kg·s-1 (od 22,4 kg·h-1 do155,4 kg·h-1, zaś w przeliczeniu na jednostkę powierzchni
absorbera 12,86 do 89,2 kg·h-1·m-2). Temperatura wody zasilającej kolektor ulegała wahaniom
zależnie od wydatku i aktualnej temperatury wody wodociągowej w granicach od 20,5 do
22,3 0C. Zanotowane w trakcie pomiarów przyrosty temperatury wody w kolektorze zmieniały
się od ok. 28 do 5 0C, podczas gdy temperatura otoczenia oscylowała pomiędzy wartościami 25
a 26 0C. Można więc przyjąć, że średnia temperatura wody w kolektorze w trakcie zdejmowania
charakterystyki w funkcji wydatku masowego była zbliżona do temperatury otoczenia, czyli
wyliczone wartości sprawności kolektora są sprawnościami maksymalnymi dla danych
wydatków.
Zarówno przy pomiarach w funkcji wydatku, jak i temperatury wody na wlocie, po każdej
zmianie warunków pracy kolektora, odczekiwano do osiągnięcia stanu ustalonego układu (brak
zmian temperatury wody opuszczającej kolektor). Następnie rejestrowano w odstępach
jednominutowych wskazania przyrządów przez okres przynajmniej 20 minut.
9
O ile we właściwym okresie pomiarowym nie nastąpiło istotne zachwianie stanu równowagi
termicznej układu, pomiar taki uznawano za prawidłowy, a do dalszego opracowania
przyjmowano wartości średnie z okresu pomiarowego. W przypadkach przeciwnych procedura
osiągania stanu równowagi termicznej była powtarzana.
W sumie uzyskano 14 (6 dla charakterystyk w funkcji wydatku i 8 dla charakterystyk
w funkcji temperatury) punktów pomiarowych w 5 wykonanych seriach pomiarowych. Zbiorcze
wyniki pomiarów i obliczeń przedstawiono w tabelach 1 i 2.
4.
WYNIKI POMIARÓW
4.1. Charakterystyki w funkcji temperatury wody
Tabela 1. Zbiorcze (uśrednione) wyniki pomiarów i obliczeń charakterystyki cieplnej kolektora
G
Quż
η
tf - t o
(tf - to)/G
C
W·m-2
W
-
K
m2K/W
tfi
tfo
to
0
0
0
C
C
20,92
27,75
25,63
698,9
970,3
0,797
-1,29
-0,00184
25,20
31,90
26,15
699,3
951,6
0,781
2,40
0,00343
26,49
33,17
26,45
695,0
948,9
0,784
3,38
0,00487
51,88
57,63
25,78
709,1
817,0
0,661
28,97
0,04086
58,59
63,95
27,02
707,9
760,7
0,617
34,26
0,04839
72,23
76,80
27,30
689,5
648,6
0,540
47,21
0,06846
87,39
91,31
28,12
696,5
558,0
0,460
61,23
0,08791
91,30
95,17
28,20
703,6
549,9
0,449
65,04
0,09244
Wartości ciepła dostarczonego, użytecznego i sprawności w powyższej tabeli zostały
wyliczone zgodnie z podanymi poniżej zależnościami (przy przyjęciu oznaczeń identycznych ze
stosowanymi w [1]):
10
Ciepło dostarczone do zewnętrznej powierzchni kolektora Qdost:
Qdost = A G
gdzie A = 1,742 m2 - powierzchnia absorbera kolektora.
Ciepło użyteczne odebrane przez przepływającą przez kolektor wodę Quż:
Quż = m&cw (t fo − t fi )
gdzie:
cw = 4187 [J · kg-1 · K-1] - ciepło właściwe wody
-1
m& - wydatek masowy wody [kg · s ]
Sprawność cieplna kolektora η:
η=
Quż
Qdost
Ostatnia kolumna tabeli 1 zawiera wartości zredukowanej różnicy temperatury zdefiniowanej
jako:
t∗ =
t f − to
G
Wielkości wynikowe z powyższej tabeli zostały przedstawione graficznie na rysunku 2.
Rys. 2. Zależność sprawności kolektora w funkcji temperatury zredukowanej
11
Rys. 2 przedstawia zależność sprawności kolektora od zdefiniowanej powyżej zredukowanej
różnicy temperatury. Standardowo przyjęto w literaturze opisywać taką zależność linią prostą
wynikająca z równania Hottela - Whilliera - Blissa [3] dla stanu ustalonego kolektora:
η = F' (τα ) e − F' U L
t f − to
G
gdzie:
F'
-
współczynnik efektywności absorbera będący miarą doskonałości konstrukcji
absorbera jako wymiennika ciepła;
(τα)e -
efektywny współczynnik transmisyjno - absorpcyjny, będący w przybliżeniu
iloczynem transmisyjności osłony przezroczystej i absorpcyjności powierzchni
absorbera dla promieniowania długofalowego;
UL
-
średni w zakresie temperatury pracy kolektora łączny współczynnik strat
cieplnych kolektora odniesiony do jednostki powierzchni absorbera.
Linia prosta na rys. 2 jest linią regresji liniowej punktów pomiarowych na poziomie
ufności 90% i opisuje ją równanie:
η = 0,798 - 3,76 ·t∗
ze współczynnikiem korelacji R = 0,998.
Przybliżenie funkcji sprawności cieplnej krzywą drugiego stopnia daje wynik
η = 0 , 795 − 3 , 281 ⋅ t ∗ − 5 , 404 ⋅ (t ∗ ) 2
ze współczynnikiem korelacji R = 0,998.
Podane powyżej wzory definiują sprawność kolektora odniesioną do powierzchni
absorbera (sprawność netto), nie zaś do powierzchni zajmowanej przez obrys zewnętrzny
kolektora. Chcąc określić sprawność brutto (stosunek ciepła użytecznego do energii
promieniowania docierającego do całej powierzchni kolektora), należy sprawność netto
przemnożyć przez współczynnik będący stosunkiem powierzchni absorbera do powierzchni
zajmowanej przez obrys zewnętrzny kolektora. W przypadku badanego kolektora współczynnik
ten wynosi 0,82.
12
Z podanych powyżej równań charakterystyk cieplnych kolektora można wnioskować, że
maksymalna sprawność netto badanego kolektora wynosi blisko 80% przy średniej temperaturze
czynnika w kolektorze równej temperaturze otoczenia i przy tylko składowej bezpośredniej
promieniowania pochłanianego przez kolektor.
Wartość
iloczynu
współczynnika
efektywności
absorbera
F'
przez
zastępczy
współczynnik strat UL (mylnie powszechnie utożsamiana z samym tylko współczynnikiem strat
UL) uśredniona dla zakresu temperatur eksploatacji
200C < tf < 900C
wynosi dla badanego kolektora (współczynnik b1 w aproksymacji liniowej wyników pomiarów)
F'UL = 3,76 [W · m-2 · K-1]
Różny od zera (ujemny) współczynnik przebiegu krzywej sprawności (aproksymacja
paraboliczna)
c2 = - 5,404 [W2 · m-4 · K-2]
wskazuje, że zastępczy współczynnik strat ciepła UL jest słabą funkcją różnicy temperatury
kolektora i otoczenia (rośnie wraz ze wzrostem różnicy temperatury). Fakt ten należy
uwzględniać przy szacowaniu zysków energetycznych kolektora przy jego eksploatacji
w zakresie wyższych temperatur pracy przy równocześnie niewielkich wartościach strumienia
promieniowania, co wynika bezpośrednio z zależności:
F' U L = 3 ,281 + 5 ,404 ⋅ t ∗ = 3 ,281 + 5 ,404
t f ś r − to
G
[W · m-2 · K-1]
Wyznaczona z równania parabolicznego maksymalna możliwa do osiągnięcia
w kolektorze nadwyżka zredukowanej różnicy temperatury roboczej ponad temperaturę
otoczenia (w momencie, gdy sprawność kolektora spada do zera) wynosi:
t∗ = 0,186 [m2 · K · W-1]
co przy średniej gęstości strumienia promieniowania w pomiarach równej około 700 W·m-2
odpowiada maksymalnej możliwej do osiągnięcia temperaturze płynu w kolektorze
przewyższającej o 130,2 0C temperaturę otoczenia.
4.2. Charakterystyki w funkcji wydatku
13
W tabeli 2 zestawiono uśrednione wyniki pomiarów i wyliczone wartości (ciepło
użyteczne, sprawność) serii pomiarowych mających na celu sporządzenia charakterystyk
cieplnych kolektora w funkcji wydatku wody. Ciepło dostarczone, użyteczne i sprawność
kolektora były wyliczane w sposób analogiczny, jak opisano uprzednio,
Tabela 2. Zbiorcze (uśrednione) wyniki pomiarów i obliczeń charakterystyki kolektora w funkcji
wydatku
G
&
m
Quż
η
∆t
C
W·m-2
kg·s-1
W
-
K
tfi
tfo
to
0
0
0
C
C
22,24
50,31
25,59
687,1
0,006227
731,9
0,611
28,07
22,09
41,24
25,79
682,6
0,010843
869,7
0,731
19,16
21,98
36,06
26,03
690,8
0,015459
911,0
0,757
14,08
21,23
30,62
25,75
699,1
0,024691
971,0
0,797
9,39
20,92
27,75
25,63
698,9
0,033923
970,3
0,797
6,83
20,60
25,93
25,69
705,7
0,043155
962,2
0,783
5,33
Rys.3. Zmiana sprawności i przyrostu temperatury wody w kolektorze w funkcji wydatku
czynnika przepływającego przez kolektor
Rys. 3 jest graficzną prezentacją wielkości zamieszczonych w tabeli 2. Sprawność
14
maksymalna kolektora rośnie dosyć szybko w zakresie wzrostu małych wydatków czynnika
przepływającego kolektorem aż do wartości ok. 0,0025 kg·s-1 i praktycznie pozostaje niezmienna
powyżej tej wartosci. Fakt ten można tłumaczyć tym, że przepływ przez kolektor odbywa się
tylko jedną rurką o kształcie zwiniętej serpentyny i każdy nawrót kanału przepływowego
turbulizuje przepływ, przez co wpływ wydatku masowego na współczynniki przejmowania
ciepła od ścianek kanału jest niewielki.
5.
OSZACOWANIE STAŁEJ CZASOWEJ KOLEKTORA
Celem określenia stałej czasowej kolektora promieniowania słonecznego jest znalezienie
przedziału czasu (liczonego od momentu zmiany jakiegoś parametru, np. natężenia
napromieniowania słonecznego G), po którym wpływ pojemności cieplnej kolektora na jego
bilans może być pomijalny. Badanie kolektora w celu wyznaczenia stałej czasowej wykonano
wg następującej metodyki [2,3]:
-
wlotową temperaturę płynu tfi na kolektor utrzymywano na poziomie temperatury
otoczenia, to = 26,6 0C przy natężeniu przepływu wody przez kolektor wynoszącym m& =
0.033923 kg·s-1 (122 kg·h-1). Natężenie promieniowania wynosiło 694 ± 12 W·m-2. Po
osiągnięciu stanu ustalonego w tych warunkach, przyrost temperatury wody na kolektorze
wyniósł 6,5 oC.
-
w warunkach stanu ustalonego, przy parametrach jak wyżej, energia padająca na kolektor
została zredukowana do zera (poprzez wyłączenie symulatora promieniowania
słonecznego). W chwili wyłączenia symulatora czas τ = τpocz = 0. Stałą czasową określa
okres czasu, przy którym licząc od τ = 0 spełniony jest warunek:
t fe ,1 − t fi
t fe ,tpocz − t fi
= 0,368
Zgodnie z wykresem na rys. 4, przedstawiającym zarejestrowany przebieg zmian temperatury
wody wylotwej z kolektora od chwili τ = 0, czas po którym od chwili wyłączenia symulatora
promieniowania słonecznego przyrost temperatury wody w kolektorze spadł do 0,368 wartości
początkowej wyniósł 140 sekund. Jest to wartość stałej czasowej kolektora.
15
34
o
temperatura wylotowa, C
33
32
31
30
29
28
27
26
3040
3060
3080
3100
3120
3140
stała czasowa
3160
3180
3200
3220
3240
3260
3280
3300
3320
3340
czas, s
Rys. 4. Przebieg zmian temperatury wylotowej z kolektora, po wyłączeniu symulatora promieniowania słonecznego, dla określenia stałej
czasowej kolektora
16
6.
SZACUNEK PRZEWIDYWANYCH ZYSKÓW ENERGETYCZNYCH
INSTALACJI Z BADANYM KOLEKTOREM
Wyniki symulacji numerycznej metodą F-Chart pracy słonecznej instalacji przygotowania
ciepłej wody użytkowej wyposażonej w kolektory HELIOSTAR 202 i pracującej
w standardowych polskich warunkach klimatycznych przedstawiono poniżej.
Założenia dotyczące konstrukcji i eksploatacji instalacji:
− instalacja z wydzielonym obiegiem kolektorowym oddającym energię do zbiorników
akumulacyjnych poprzez wymiennik ciepła
− sumaryczna powierzchnia pochłaniająca kolektorów A = 3,484 m2 (2 kolektory
o powierzchni absorbera 1,742 m2 każdy)
− pojemność zbiornika akumulacyjnego wynosi 300 litrów (86,1 litra na każdy 1 m2
powierzchni absorbera)
− wymagana temperatura wody ciepłej wynosi 450C;
− temperatura wody zasilającej (wodociągowej) jest zmienna od 100C zimą do 150C latem
− iloczyn (τα)e⋅F' kolektorów wynosi 0,8 (jest to maksymalna sprawność kolektorów)
− UL = 3,76 W·m-2·K-1 (średni współczynnik strat ciepła z kolektora do otoczenia)
− kolektory pochylone są pod kątem 450 względem poziomu i skierowane na południe;
− obliczeń dokonano dla założonych trzech różnych wielkości dziennego zużycia ciepłej
wody równych odpowiednio 150, 200 i 250 litrów na dobę
Wyniki tych obliczeń zamieszczono w tabeli. Poszczególne kolumny tabeli oznaczają:
Hpoziome
F-Chart
Esłon
Ekonwenc
- średnia dzienna suma nasłonecznienia na powierzchnię poziomą w danym
miesiącu
- stopień pokrycia potrzeb cieplnych w danym miesiącu energią słoneczną
- użyteczna energia słoneczna zaabsorbowana w danym miesiącu przez
kolektory instalacji
- miesięczna energia, która musi być dostarczona z układu konwencjonalnego
(np. en. elektryczna, gaz lub sieć ciepłownicza)
17
Tabela 3. Zestawienie danych meteorologicznych oraz wyników symulacji numerycznej funkcjonowania instalacji słonecznej
Dane meteorologiczne
Mc.
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
Średnia
temp.
zewn.
0
C
-3,1
-2,2
1,6
7,6
13,8
17,3
19,1
18,2
13,8
7,8
2,5
-1,1
Średnie
Hpoziome
dzienne
-2
MJm dn
2,00
4,29
7,59
12,25
16,86
17,80
17,00
14,64
9,68
5,46
2,42
1,42
-1
Zużycie dzienne 150 litrów
Udział
promien.
dyfuz.
F-Chart
Esłon
%
73,6
65,2
58,0
52,6
47,8
49,5
51,0
48,3
53,2
56,3
69,4
77,2
0,0792
0,3414
0,5877
0,8099
0,9661
0,9862
0,9901
0,9486
0,7607
0,5193
0,1601
0,0000
-2
MJm mc
54,0
210,1
389,0
503,6
601,9
576,0
578,3
572,5
458,7
333,7
102,6
0,0
Ekonwenc
-1
F-Chart
Esłon
MJm mc
627,5
405,4
272,9
118,2
21,1
8,1
5,8
31,0
144,3
308,8
538,0
681,4
0,0579
0,2686
0,4776
0,6796
0,8331
0,8537
0,8583
0,8141
0,6322
0,4178
0,1220
0,0000
-2
MJm mc
52,6
220,4
421,5
563,4
692,1
664,8
668,5
655,1
508,2
357,9
104,2
0,0
-2
-1
Ekonwenc
-1
F-Chart
Esłon
MJm mc
856,0
600,3
461,1
265,7
138,6
113,9
110,3
149,6
295,7
498,7
750,0
908,6
0,0456
0,2211
0,4007
0,5808
0,7237
0,7432
0,7479
0,7051
0,5374
0,3485
0,0985
0,0000
-2
MJm mc
51,8
226,8
442,1
601,9
751,5
723,5
728,1
709,3
540,0
373,2
105,2
0,0
MJm-2mc-1
1083,9
799,0
661,2
434,4
286,9
250,0
245,4
296,6
464,9
697,6
962,5
1135,7
-2
-1
Ekonwenc
-1
Sumy lub
średnie roczne
3398,7
--
0,5807
4380,3
3162,6
0,4881
4908,8
5148,4
0,4179
5253,4
7318,1
Roczny zysk
1 m2 absorbera
-
-
-
1257,3
-
-
1409,0
-
-
1507,9
-
18
Analiza wyników obliczeń zamieszczonych w powyższej tabeli wskazuje, że w warunkach
polskich zyski energetyczne z 1 m2 powierzchni absorbera kolektora zależą silnie od warunków
jego eksploatacji. Przy niewielkim obciążeniu modelowej instalacji (150 litrów ciepłej wody na
dobę) średnie jednostkowe roczne zyski są niewielkie i wynoszą 1257,3 kJm-2a-1 (około 349
kWh na rok), ale za to kolektory dostarczają prawie całej energii niezbędnej do przygotowania
wody w okresie letnim. Dla odmiany, duże obciążenie instalacji, np. 250 litrów dziennie,
zwiększa zyski jednostkowe kolektora kolektora do 1507,9 kJm-2a-1 (około 419 kWh na rok),
jednak stopień pokrycia potrzeb cieplnych jest mniejszy. Wyniki obliczeń przeprowadzone dla
określonych lokalizacji w naszym kraju, mających miejscowy mikroklimat odbiegający od
średniej krajowej, mogą dać inne wyniki, odbiegające zarówna in plus, jak i minus od
wyliczonych wartości. Równocześnie wyniki obliczeń wskazują dobitnie, że w okresie
zimowym eksploatacja kolektorów jest mało efektywna.
19
7.
WNIOSKI Z BADAŃ I OCENA KONSTRUKCJI
Przeprowadzone badania kolektora pozwalają na sformułowanie następujących wniosków:
A.
Charakterystyka sprawności cieplnej kolektora w funkcji temperatury w przebadanym
zakresie temperatur (od temperatury otoczenia do maksymalnej temperatury wody
wylotowej przekraczającej 95 0C) wykazuje lekkie zakrzywienie. Świadczy to o słabej
zależności współczynnika strat cieplnych kolektora od temperatury. Przy eksploatacji
w warunkach naturalnych współczynnik strat może mieć silniejszą zależność od
temperatury z uwagi na oddziaływanie nieboskłonu o pozornej temperaturze znacznie
niższej od temperatury otoczenia;
B.
Oszacowana średnia wartość iloczynu współczynnika strat ciepła kolektora do otoczenia
przez współczynnik efektywności absorbera, odniesiona do powierzchni absorbera, wynosi
F'UL
≈
3,76 W·m-2·K-1. Jest to wartość typowa dla współczesnych konstrukcji
kolektorów z jedną szybą i pokryciem selektywnym absorbera.
C.
Oszacowana wartość iloczynu efektywnego współczynnika transmisyjno - absorpcyjnego
kolektora (τα)e przez współczynnik efektywności absorbera F', będącego równocześnie
maksymalną sprawnością kolektora przy zerowym bilansie strat ciepła (średnia
temperatura wody równa temperaturze otoczenia) wynosi:
ηmax = F'(τα)e ≈ 0,8
Wartość powyższa nie odbiega od naksymalnych sprawności podawanych w literaturze dla
kolektorów o podobnej konstrukcji, jak badany, Należy przy tym jednak nadmienić, że jest
to wartość jedynie dla składowej bezpośredniej promieniowania słonecznego. Przy
znaczym udziale składowej dyfuzyjnej w promieniowaniu całkowitym (> 20%) sprawność
maksymalna może być odpowiednio mniejsza.
D.
Stała czasowa kolektora wynosząca 2 min 20 sekund jest pomijalnie mała w porównaniu
ze skalą dobową zjawisk atmosferycznych, a jednocześnie na tyle duża, że ewentualny
układ sterujący pracą instalacji nie będzie przerywał pracy pompy przy krótkotrwałych
przesłonięciach chmurami tarczy słonecznej w okresie letnim.
E.
Oszacowanie rocznych zysków energetycznych badanego kolektora wskazuje na silną
zależność zysków od sposobu eksploatacji instalacji z kolektorami jak badany.
20
Literatura
1.
Szypliński J., Wnuk R., Metodyka badań kolektorów słonecznych przy użyciu symulatora
promieniowania słonecznego, Archiwum Termodynamiki, Vol.8, (1987), Nr 3, str.199
2.
ISO 9806-1:1994 - Test methods for solar collectors - Part 1: Thermal performance of
glazed liquid heating collectors including pressure drop (Metody badań kolektorów
słonecznych. Część 1: Sprawność cieplna oszklonych cieczowych kolektorów słonecznych
i ich charakterystyka hydrauliczna).
3.
ASHRAE Standard 93-77 - Methods of testing to determine the thermal performances of
solar collectors, American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning
Engineers, New York, USA, (1977).
4.
Duffie J.A., Beckmann W.A, Solar Energy Thermal Processes, John Wiley & Sons, New
York, 1974.
5.
Konwersja termiczna energii promieniowania słonecznego w warunkach krajowych,
Ekspertyza Komitetu Termodynamiki i Spalania Wydz. IV PAN wykonana pod
kierunkiem W. Gogóła, Oficyna Wyd. Politechniki Warszawskiej, (1994)
21

P.A.N sprawozdanie z badan - Thermosolar, kolektory słoneczne

Transkrypt

Podobne dokumenty

badanie zgodności - Solar-Tech

Energia Słońca

dane techniczne kolektorów słonecznych heat pipe

turosolar_i_16

VITOSOL 050 Dane techniczne

KSP-12U - Suntherm

Budowa i pomiary skrzynkowego kolektora słonecznego

Kolejna generacja kolektorów Thermomax oparta

Rys. Nr 7 - Wylot kolektora.cdr

dtr-SB 30 AM