Jak pracuje kolektor próżniowy w zimę? Posiada skuteczniejszą izolację cieplną, co może wpływać na jego zwiększoną sprawność pracy, pod warunkiem, że konstrukcja pozwala na jego odmrażanie. Porównanie kolektorów pod względem pracy zarówno latem i zimą przynosi ciekawe wyniki...
1. www.solarblog.pl
Jak pracują kolektory słoneczne zimą?
Jakie są różnice w pracy kolektorów słonecznych?
Jaki wpływ na pracę kolektora odgrywa jego budowa?
Jak w rzeczywistości pracują kolektory próżniowe zimą?
2. Slajd
2
Kolektory słoneczne próżniowe
Kolektory próżniowe powstały z myślą
o uzyskiwaniu wyższych wydajności
cieplnych w porównaniu do „standardowych”
kolektorów płaskich.
3. Slajd
3
Kolektor płaski, a próżniowy
Kolektory próżniowe powstały z myślą
o wyeliminowaniu „mankamentu” kolektorów
płaskich – strat ciepła z absorbera
w wyniku konwekcji (unoszenia) ciepła
przez znajdujące się w obudowie kolektora
płaskiego powietrze
W kolektorach próżniowych to próżnia
stanowi izolację cieplną, ograniczając do
minimum straty ciepła z absorbera.
W praktyce próżnia, oznacza głębokie
podciśnienie wewnątrz rury szklanej
(0,01-0,001 Pa), co w zupełności wystarcza
do niemal całkowitego wyeliminowania
konwekcji ciepła poprzez „brak powietrza”
4. Slajd
4
Kolektory słoneczne – wytrzymałość na nacisk
Kolektory słoneczne w okresie
zimowym narażone są na zaleganie
śniegu i szronu. Obciążenie jakie
powoduje śnieg, nie stanowi dla
przykrycia szklanego zagrożenia,
gdyż szkło solarne posiada wysoką
wytrzymałość na nacisk
Wiele kolektorów badanych
w testach jakościowych miało z kolei
problemy ze szczelnością w sytuacji
topnienia śniegu, gdy pod naciskiem
tworzyły się szczeliny w obudowie
(styk szyby i obudowy),
umożliwiając wnikanie wilgoci do
wnętrza obudowy
Źródło: zdjęcie Solar-More GbR
5. Slajd
5
Kolektory słoneczne – zaleganie śniegu i szronu
Niektóre argumenty za stosowaniem kolektorów próżniowych wskazują
na brak zalegania śniegu, wskutek jego „przesypywania się” pomiędzy rurami
próżniowymi (!?).
Po pierwsze – śnieg nie jest zazwyczaj tak sypki jak … piasek, po drugie
kolektory płaskie (w takim porównaniu) nie są instalowane w pozycji poziomej,
gdyż wymagają nachylenia i wreszcie po trzecie na powierzchni szyby kolektora
pojawia się przeważnie lód i szron, który skutecznie zatrzymuje śnieg na
chropowatej wówczas powierzchni
!?
6. Slajd
6
Kolektory słoneczne – zaleganie śniegu i szronu
Przykłady z praktyki pokazują, że szczególnie w pozycji poziomej, niekorzystnej
w okresie zimowym dla pozyskiwania promieniowania słonecznego (niskie
położenie słońca i ostry kąt padania promieni słonecznych), z powierzchni
rur próżniowych mimo nasłonecznienia, „nie schodzi” szron pomimo, że cały
dzień był lekko mroźny i intensywnie nasłoneczniony (Berlin, 01.12.2005)
Instalacja 2
Berlin, 01.12.2005
godz.14:02
Instalacja 1
Berlin, 01.12.2005
godz.11:44
7. Slajd
7
Oczyszczanie kolektora ze śniegu?
Źródło: brightstarsolar.net, alyssaackerman.blogspot.com, arttec.ne, motherearthnews.com
W wielu krajach, gdzie kolektory słoneczne lub ogniwa fotowoltaiczne
instalowane są w strefach zwiększonych opadów śniegu, z góry zakłada się,
że należy mieć dostęp i narzędzie do ich odśnieżania
Prowadzone badania na temat przepuszczalności promieniowania słonecznego
przez śnieg i lód wskazują, że występują znaczne rozbieżności transmisyjności
(przenikania) promieniowania, w zależności od grubości śniegu, jego struktury,
koloru, itd.. Ale można przyjąć, że warstwa 10 cm śniegu zmniejsza przenikanie
promieniowania słonecznego do około 5%
(„Field investigations of apparent optical properties of ice cover in Finnish and Estonian lakes in winter 2009”)
8. Slajd
8
Samooczyszczanie się kolektora…
Sam szron w zależności od grubości zmniejsza możliwość przenikania
promieniowania słonecznego o około 30 do 50% (solartirol.at)
Jeżeli więc sprawność optyczna kolektorów próżniowych jest często niższa
w porównaniu do płaskich nawet o ponad 30% (mniej promieniowania dociera
do absorbera) i jednocześnie straty ciepła z kolektora próżniowego są znacznie
mniejsze niż dla płaskiego, to która powierzchnia „oczyści się” szybciej zimą?
9. Slajd
9
Kolektory słoneczne – analiza porównawcza
W okolicy Katowic, w promieniu 3 km, w tym samym czasie, wykonano
19 fotografii kolektorów słonecznych (10 płaskich, 9 próżniowych)
Warunki pogodowe w dniu wykonywania zdjęć były reprezentatywne dla
dłuższego okresu zimy w miesiącach 01-02.2012, z niskimi temperaturami
zewnętrznymi i częstym bezpośrednim nasłonecznieniem
Zdjęcia wykonano 12.02.2012, w godzinach 12:00-12:30
Dzień był nasłoneczniony od rana bez przerwy
Temperatura zewnętrzna wynosiła -10oC
Podobna sytuacja choć nie potwierdzona fotoreportażem występowała
kilkukrotnie, kolektory próżniowe nie były w stanie „oczyścić” swojej powierzchni,
pomimo sprzyjających warunków – braku śniegi i intensywnego nasłonecznienia
10. Slajd
10
Kolektory słoneczne – analiza porównawcza
Kolektory próżniowe bez wyjątku pozostawały pokryte szronem przez cały
dzień. Jedynie w kolejnych dniach, gdy temperatura zewnętrzna wzrastała
do około 0oC i więcej, szron ulegał roztopieniu
11. Slajd
11
Kolektory słoneczne – analiza porównawcza
Kolektory płaskie bez wyjątku z kolei były całkowicie lub niemal całkowicie
wolne od szronu. Przy temperaturze zewnętrznej -10oC, prawdopodobnie
pracowały – przynajmniej w przypadku instalacji autora stwierdzona temperatura
na wyjściu z kolektorów płaskich wynosiła ponad 40oC.
12. Slajd
12
Inne przykłady porównawcze…
Kolektory zabudowane na obiekcie
jednej z firm wykonawczych w USA
Po 4-ech dniach od opadów
śniegu, kolektor próżniowy
pozostaje wyłączony z pracy
Źródło: neastsolar.com, Solar International Energy
Temperatura przykrycia szklanego
kolektora płaskiego (z lewej)
i próżniowego (z prawej), ma
bezpośredni wpływ na szybkość
oczyszczania powierzchni zimą
13. Slajd
13
Uzasadnienie – praca kolektora słonecznego…
Przedstawione wcześniej fakty, w zasadzie tłumaczą skąd bierze się dłuższy
okres zalegania śniegu i szronu na kolektorach próżniowych, warto jednak
posłużyć się obliczeniami dla zobrazowania różnic…
Do porównania i obliczeń wzięto od uwagę 3 kolektory słoneczne, dane
na podstawie certyfikatów Solar Keymark (solarkeymark.org) odniesione
do powierzchni apertury (czynnej) kolektorów słonecznych
Parametr Kolektor 1 Kolektor 2 Kolektor 3
Typ kolektora Płaski (KS2000 TLP)
Próżniowy, rury
1-ścienne (KSR10)
Próżniowy, rury
2-ścienne
Sprawność optyczna 79,4% 78,0% 55,2%
Współczynnik strat
ciepła a1 (W/m2K)
4,36 1,27 0,86
Współczynnik strat
ciepła a2 (W/m2K2)
0,0049 0,0012 0,003
14. Slajd
14
Uzasadnienie – praca kolektora słonecznego…
Wyjaśnienie do wyników obliczeń:
Nasłonecznienie
– moc promieniowania
słonecznego, W/m2
Jednostkowe straty ciepła
do otoczenia, W/m2
Ciepło na absorberze,
po uwzględnieniu strat
wynikających ze sprawności
optycznej kolektora
słonecznego, W/m2
Ciepło użyteczne – przekazane
do czynnika grzewczego, W/m2
15. Slajd
15
Uzasadnienie – praca kolektora słonecznego…
Sytuacja 1: warunki pracy latem w nasłoneczniony dzień
Założenia:
- temperatura zewnętrzna 30oC, absorbera 70oC (T = 40 K)
- nasłonecznienie 900 W/m2
Wynik: nawet w okresie letnim kolektory z 2-ściennymi rurami próżniowymi,
mogą pracować z niższą sprawnością i zarazem wydajnością cieplną niż
kolektory płaskie. Wyższą wydajność uzyskiwać mogą kolektory z rurami
próżniowymi 1- ściennymi, jak w tym przykładzie kolektor KSR10.
16. Slajd
16
Uzasadnienie – praca kolektora słonecznego…
Sytuacja 2: warunki pracy zimą w „mroźny” nasłoneczniony dzień
Założenia:
- temperatura zewnętrzna -10oC, absorbera 40oC (T = 50 K)
- nasłonecznienie 600 W/m2
Wynik: pod warunkiem, że powierzchnia rury szklanej będzie czysta, kolektor
próżniowy 2-ścienny będzie mógł uzyskiwać wyższą sprawność i wydajność
niż kolektor płaski. Widoczna jest tutaj przewaga uzyskiwanej wydajności dla
kolektorów próżniowych z rurami 1-ściennymi
17. Slajd
17
Uzasadnienie – praca kolektora słonecznego…
Sytuacja 3: warunki pracy zimą w nasłoneczniony dzień, na powierzchni
kolektorów warstwa 5 cm śniegu o przepuszczalności 20% promieniowania
Założenia:
- temperatura zewnętrzna -10oC, absorbera 0oC (T = 10 K)
- nasłonecznienie 600 W/m2
Wynik: zdecydowanie wyższe straty ciepła do otoczenia kolektora płaskiego
przyspieszą usunięcie śniegu. Kolektor próżniowy 1-ścienny posiada wyższe
straty ciepła niż 2-ścienny, co wpłynie także korzystnie w tej sytuacji
18. Slajd
18
Reasumując…
Kolektory słoneczne płaskie nie bez powodu są znacznie częściej wybierane
przez Klientów o rozwiniętym rynku energetyki słonecznej (Niemcy, Austria,
Szwajcaria, itp.). W Polsce, często argumenty marketingowe bez pokrycia
wskazywały na wyższość kolektorów próżniowych pod każdym względem
Jeżeli chcemy decydować się na zakup kolektorów próżniowych, to takich,
których sprawność będzie zdecydowanie wyższa niż kolektorów płaskich, co
w praktyce osiągane jest przez kolektory z rurami próżniowymi 1-ściennymi
20. Kompletne rozwiązania oparte o kolektory słoneczne i pompy ciepła
Zastosowanie w obiektach mieszkalnych i użytkowych
Hewalex
Ponad 20-letnie doświadczenie na rynku polskim i zagranicznym
www.solarblog.plwięcej prezentacji >>> www.hewalex.pl