Menu

Projektowanie kolektorów słonecznych

UWAGA - Poniżej omówiono podstawy projektowania kolektorów dachowych (głównie płaskich) w oparciu o materiały producentów zestawów solarnych. 
 
Projektując kolektory słoneczne należy uwzględnić następujące kryteria:
- kolektory w Polsce powinny być w miarę możliwości zwrócone w kierunku południowym
- kąt nachylenia kolektora powinien być powiązany z szerokością geograficzną i przeznaczeniem instalacji, np. instalacja do przygotowania c.w.u., instalacja do ogrzewania domu, basenu
- kolektory nie mogą być zasłonięte przez drzewa, sąsiednie budynki, lub inne obiekty w godzinach od 8-16.00
 
Gdzie można zamontować kolektory?
 
Położenie kolektora zależy od jego budowy i kąta padania promieni słonecznych. Kolektory płaskie płytowe powinny być zamocowane pod kątem (średnio 45° do poziomu). Kolektory rurowe próżniowe mogą być zamocowane pod kątem lub pionowo (zob. konstrukcje kolektorów). Na dachach stromych kolektor może być zamocowany bezpośrednio do konstrukcji dachowej, na płaskich - do montażu kolektora wykorzystywana jest specjalna konstrukcja wsporcza. W instalacjach basenowych kolektory mocowane są zwykle jako wolnostojące na wspornikach osadzonych w fundamencie.

Azymut kolektora - w warunkach Polski największe promieniowanie słoneczne występuje z kierunku południowego, dlatego należy ustawiać zwierciadła kolektorów idealnie na południe. W praktyce dopuszcza się odchylenie od kierunku południowego nawet do 45° , ale wiąże się to ze zmniejszeniem wydajności kolektora. W okresie letnim odchylenie od kierunku południowego rzędu 20° nie ma  wpływu na wydajność kolektorów

Kąt nachylenia kolektora - określa się jako:
α = φ ± 15°

gdzie: φ - kąt szerokości geograficznej (dla warunków Polski wynosi od 49-55°)
Dla obszaru Polski szerokość geograficzna φ wynosi 49° - 55°, zatem kąt ten powinien wynosić 34° - 70°, przy czym wartość mniejsza jest zalecana dla instalacji użytkowanych latem (od 30°), a większa dla instalacji użytkowanych zimą (60°). Instalacje całoroczne powinny mieć kąt nachylenia zbliżony do 40-45°.

Na rys. 5 przedstawiono diagram ujmujący zależność względnej wartości natężenia promieniowania od kątów azymutu (na obwodzie koła) oraz nachylenia (okręgi współśrodkowe). Zamieszczony przykład ilustruje sposób korzystania z diagramu.

Z uwagi na zmieniający się kąt padania promieni słonecznych w ciągu roku zysk ciepła z kolektorów dachowych podlega znacznym wahaniom. Na rys. poniżej pokazano wpływ kąta ustawienia kolektora na uzysk ciepła w poszczególnych miesiącach roku.

Z wykresu widać, że przy kącie ustawienia kolektora 90° uzyskamy najwięcej ciepła w okresie zimowym, ale stosunkowo najmniej w lecie. Odwrotna sytuacja wystąpi przy kącie 0°, gdzie pojawią się wysokie zyski latem i bardzo małe zimą. Optymalny kąt leży pomiędzy 30-45°. Kat ustawienia kolektora ma też duży wpływ na jego trwałość i serwisowanie. Kąt 90° jest najbezpieczniejszy, chroni przed gradem, w zimie przed pokrywą śnieżną.  Kąty poniżej 20° wpływają niekorzystnie na zarastanie kurzem, łatwo też pokrywają się śniegiem. W zależności od zakresu stosowania instalacji solarnej zaleca się następujące instalacji solarnej zaleca się następujące optymalne kąty nachylenia:

  • Instalacja solarna do podgrzewu wody użytkowej od 30 do 45° - Taki mały kąt nachylenia uwzględnia wysokie położenie słońca w lecie.
  • Instalacja solarna wspomagająca ogrzewanie pomieszczeń od 45 do 60° - Przy uwzględnieniu niskiego położenia słońca w okresach przejściowych i w zimie. Poprzez świadomy wybór dużego kąta nachylenia w lecie uzyskuje się skrócenie okresów stagnacji.

Rys.6 Wpływ azymutu i kąta ustawienia kolektora na uzysk energii

Przy obliczeniach szczegółowych mocy kolektora, wszelkie odstępstwa od zalecanych kątów montażu powinny być uwzględnione w postaci współczynników korekcyjnych.

Współczynnik korekcyjny dla azymutu kolektora.

W celu uzyskania tej samej wydajności co z kierunku południowego, powierzchnię płaskiego kolektora słonecznego należy powiększyć o odpowiednie współczynniki korekcyjne zgodne z rys.7 . Z analizy rysunku wynika, że odchylenie kolektora od kierunku południowego w kierunku zachodnim jest korzystniejsze niż odchylenie w kierunku wschodnim.

Rys.7 Współczynnik korekcyjny dla kolektora płaskiego w zależności od ustawienia względem kierunku południowego.

Współczynnik korekcyjny dla pochylenia kolektora

Polska znajduje się w szerokości geograficznej równej około 50°. Kąt padania promieni słonecznych dla tej szerokości zmienia się o ok. +/- 23°, dlatego kąt nachylenia
kolektora słonecznego powinien zmieniać się w granicach od 27 do 73°. I tak, dla okresu jesienno-zimowego kąt nachylenia kolektora powinien być wyższy (ok. 60°) niż w okresie wiosenno-letnim (ok. 30°), natomiast optymalny kąt w okresie jego całorocznej eksploatacji powinien wynosić ok. 40°. W przypadku innej wartości należy zwiększyć powierzchnię kolektora płaskiego o odpowiednie współczynniki korekcyjne.

Rys.8 Współczynnik korekcyjny dla kąta ustawienia kolektora.


Dobór powierzchni kolektorów słonecznych dla przygotowania c.w.u.

L.P. Sposób korzystania z instalacji solarnej Powierzchnia kolektora
1 Przygotowanie c.w.u. z pokryciem rocznym rzędu 65%, standard wysoki ze zużyciem dziennym 80-100 l/osobę - budynek jednorodzinny 1,6 m2/osobę
2 Przygotowanie c.w.u., roczne pokrycie energii z kolektorów 45%, standard wysoki ze zużyciem dziennym rzędu 80-100 l/osobę - budynek jednorodzinny 1,0 m2/osobę
3 Przygotowanie c.w.u., roczne pokrycie energii z kolektorów 40%, standard wysoki ze zużyciem dziennym rzędu 80-100 l/osobę - budynek wielorodzinny 0,8 m2/osobę


Doboru powierzchni kolektorów można też dokonać z nomogramu. Poniżej przykład dla 4-ro osobowej rodziny i zużyciu 80 l/c.w.u. na osobę/na dobę; razem 4x80=320l/dzień średni stopień pokrycia 50% wymagana powierzchnia ok. 5,5 m2

Rys. Nomogram do szybkiego doboru powierzchni kolektorów dachowych  dla przygotowania c.w.u.

Dobór powierzchni kolektorów do przygotowania wody w basenie

Tabela Uproszczony dobór kolektorów do przygotowania wody basenowej (kolektory firmy ENSOL).

Dobór zasobnika c.w.u.

Całkowita pojemność zasobnika powinna pokrywać zapotrzebowanie na c.w.u na 2 dni i można ją wyliczyć z zależności:

gdzie:

Vzmin……... minimalna pojemność zasobnika
Vp…………. zapotrzebowanie cwu na 1 osobę (80-100 l/dobę)
P……….       liczba osób w gospodarstwie domowym
tw………….. temperatura cwu w punkcie poboru
tk…………… temperatura wody zimnej
tz…………… temperatura wody w zasobniku(50-60) 0C

Dobór przeponowego naczynia wzbiorczego dla instalacji solarnej

Dobór naczyń wzbiorczych zabezpieczających układ solarny przed nadmiernym wzrostem ciśnienia jest ieco inny niż w przypadku klasycznej instalacji c.o. W układzie kolektora dachowego nie krąży bowiem woda tylko specjalny płyn odporny na zamarzanie (np. roztwory glikolu, tyfocor, F2 lub R1 firmy ROTH). Rozszerzalność cieplna płynów jest inna w tym wypadku inna niż wody w układzie c.o. Poniżej sposób doboru naczyń dla płynu tyfocor.

Gdzie:

•Va - pojemność całkowita instalacji w dm3
•Vv = Va·0,015 (min. 1 litr)
•V2 = Va·β
•β=0,07 dla czynnika TYFOCOR
•Vk – pojemność kolektora
•z – liczba kolektorów
•pe = pb-0.5 dopuszczalne nadciśnienie końcowe
•pb – ciśnienie otwarcia zaworu bezpieczeństwa
•pst = 1,5+0,1·h ciśnienie wstępne poduszki gazowej
•h – wysokość statyczna instalacji w [m]

Przykład: Dobrać naczynie wzbiorcze do instalacji składającej się z 3 kolektorów Ensol o pojemności Vk= 1,8l każdy. Całkowita pojemność instalacji Va=30 l, wysokość statyczna wynosi h=8m. Zawór bezpieczeństwa pb=6 bar.

Obliczenia: Vv = 30x0,015 = 0,45 litra (przyjęto 1,0)

V2 = 30x0,07 = 2,1 litra
pe = 6-0,5 = 5,5 bar
p = 1,5 + 0,1x8 = 2,3 bar


Tabela. Dobór pojemności naczynia wzbiorczego metodą uproszczoną na podstawie ilości kolektorów i pojemności podgrzewacza wody.

Dobór średnic rur instalacji solarnych

Dobór średnic przewodów instalacji w obiegu kolektora powinien uwzględniać dwa założenia:
- prędkość przepływu powinna się wahać między 0,3-0,7m/s
- wielkość przepływu w pojedynczym kolektorze wynosi 1-2 dm3/min.


Tabela. Uproszczony dobór średnic przewodów miedzianych w obiegu kolektorów dachowych.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});