Menu

Wielkość energii docierającej do kolektora

 (tekst Grzegorz Wiśniewski)

Wiadomości wstępne

   Najistotniejszymi parametrami promieniowania słonecznego – ze względu na sposób wykorzystania tej energii w kolektorach płaskich (płaskopłytowych) – są dzienne, miesięczne, sezonowe i roczne sumy wartości natężenia promieniowania słonecznego – H (kJ/m2), wyrażające ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni w określonym czasie. Sumy wartości natężenia promieniowania słonecznego w dłuższych okresach (sezon, rok) są szczególnie przydatne do analiz ekonomicznych zastosowania kolektorów słonecznych w procesach roboczych.    W wielu przypadkach do wyrażenia wartości sumy natężenia promieniowania w czasie godziny, dnia, miesiąca lub roku stosuje się jako jednostkę kWh/m2, natomiast
dane z Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej są podawane w MJ/m2; w starszych opracowaniach można jeszcze spotkać jednostkę – cal/cm2. Przeliczenia wzajemne (zależności) wymienionych jednostek natężenia promieniowania przedstawiono
w tabeli 1.

Tabela 1 Zależności między jednostkami natężenia promieniowania.

Innym istotnym parametrem warunkującym cechy konstrukcyjne kolektora i jego wydajność jest natężenie całkowitego promieniowania słonecznego I (wartość chwilowa), wyrażone w W/m2. W energię użyteczną może być przetworzona tylko część energii słonecznej, której natężenie promieniowania w określonym czasie przekracza właściwą dla tego urządzenia i danych warunków meteorologicznych wartość progową I'min. Wartość tę wyznaczyć można z uproszczonego równania bilansu energetycznego kolektora słonecznego o powierzchni jednostkowej:

 

gdzie:
E – suma energii użytecznej, Wh z jednostki powierzchni kolektora,
ηo – współczynnik konwersji optycznej promieniowania słonecznego,
H' – wartość natężenia promieniowania słonecznego I > I'min, Wh/m2,

U – współczynnik strat cieplnych kolektora, W/m2· K,
ΔT – średnia różnica temperatur nośnika ciepła w kolektorze i otoczeniu, K,
τ – czas występowania natężenia promieniowania o wartości I > Imin, h.

Wartość progową oblicza się z równania powyżej, przy założeniu, że E = 0, stąd:

Wartości progowe I'min dla różnych typów kolektorów słonecznych pracujących przy różnych wartościach ΔT podano w tabeli 2. Z tabeli 1.2 wynika, że np. kolektor próżniowo-rurowy zaczyna gromadzić energię
cieplną już przy stosunkowo małej wartości promieniowania słonecznego całkowitego, ok. 20 W/m2, dzięki m.in. doskonałej izolacji termicznej i minimalnym stratom ciepła, co szczególnie predestynuje go do stosowania w okresie jesienno-zimowo-wiosennym. W obliczeniach przybliżonych, które mają praktyczne znaczenie w grzewczych instalacjach słonecznych i kolektorach słonecznych, przyjmuje się minimalną wartość całkowitego natężenia promieniowania słonecznego Imin = 100 W/m2.

Tabela 2 Szacunkowe wartości progowe Imin natężenia promieniowania słonecznego dla różnych typów kolektorów słonecznych.

W przypadku kolektorów płaskopłytowych, o możliwości przetwarzania energii promieniowania słonecznego w ciepło użyteczne decyduje promieniowanie całkowite, dochodzące ze wszystkich kierunków półsfery. Promieniowanie całkowite Ih, Hh zawiera trzy składowe:
1. Promieniowanie bezpośrednie Ib, Hb jest to krótkofalowe promieniowanie o kierunku
rozchodzenia się promieni w linii prostej od Słońca do powierzchni czyn
nej kolektora. Długość fali promieniowania słonecznego bezpośredniego na powierzchni Ziemi (po przejściu przez warstwę atmosfery) w 98% zawarta jest w przedziale 0,30–2,50 μm. Obejmuje ono całe tzw. widzialne promieniowanie słoneczne długości fali 0,40–0,70 μm.

2. Promieniowanie rozproszone (dyfuzyjne) Id, Hd jest to promieniowanie długofalowe. Powstaje w wyniku załamania, odbicia i częściowego pochłaniania promieniowania bezpośredniego w atmosferze ziemskiej. Daje ono barwę niebieską nieboskłonu w wyniku rozproszenia światła słonecznego. Dodatkowo do promieniowania rozproszonego zalicza się tzw. długofalowe promieniowanie atmosfery
o znacznie większej długości fali niż bezpośrednie i rozproszone promieniowanie słoneczne. Jest ono emitowane przez atmosferę niezależnie od pory doby, w postaci fal długości 4–120 mm.
3. Promieniowanie odbite IhP od powierzchni Ziemi i obiektów w pobliżu absorbera kolektora słonecznego, tzw. albedo. Jest to również promieniowanie rozproszone, którego wielkość zależy od promieniowania całkowitego Ih = Id + Ib (rozproszonego
i bezpośredniego) oraz współczynnika odbicia p odpowiadającego różnym powierzchniom i przedmiotom w pobliżu kolektora.
Sumaryczny wpływ wymienionych składowych promieniowania na ilość energii docierającej do powierzchni kolektora słonecznego w jednostce czasu (moc strumienia energii promieniowania słonecznego) określona jest równaniem, które uwzględnia zależności kątowe:

gdzie:
Θ – kąt zawarty pomiędzy linią wyznaczoną przez kierunek promieniowania słonecznego
bezpośredniego a normalną do powierzchni absorbera (rys. 1),

βkąt pochylenia płaszczyzny kolektora w stosunku do poziomu.

Rys.1 Geometria ruchu Słońca w stosunku do kolektora. Θ – kąt padania, Θz – kąt zenitu,
β – kąt nachylenia kolektora do poziomu, γ – kąt odchylenia od kierunku południowego,
α – kąt wysokości słońca nad horyzontem, ψ – kąt azymutu

Ponieważ tylko dwie z trzech składowych Ib, Id, lh są niezależne (Ih = Ib cos Θz + Id), gdzie Θz – kąt zenitu (tj. kąt między linią wyznaczoną przez normalną do powierzchni poziomej a kierunkiem promieniowania słonecznego), często – dysponując danymi z pomiarów meteorologicznych Ih i Id – stosuje się inną postać równania:

Wartość współczynnika odbicia promieniowania słonecznego ρ zależy jedynie od rodzaju powierzchni w otoczeniu kolektora słonecznego. W zależności od rodzaju powierzchni, a także kąta β, udział tego rodzaju promieniowania w bilansie kolektora płaskopłytowego sięga 5–30%.

Tabela 3 wartość współczynnika odbicia słonecznego ρ w zależności od różnych powierzchni.

    Optymalny kąt kolektora słonecznego  

 

    Maksymalne wykorzystanie energii słonecznej docierającej do powierzchni dachu zależy w dużej mierze od kąta pochylenia kolektora słonecznego.  Kąt ten zmienia się znacznie w ciągu roku, stąd instalacje solarne określa się często mianem ( całorocznych - jeśli energia słońca wykorzystywana jest na potrzeby c.o. i c.w.u. przez cały rok i sezonowych, jeśli energia słoneczna wykorzystywana jest tylko na potrzeby ciepłej wody użytkowej, bądź tylko do wspomagania ogrzewania. Budowane na świecie kolektory słoneczne o całorocznym okresie wykorzystania są nachylone do poziomu pod kątem β = f ± 15°, gdzie f oznacza szerokość geograficzną. W Polsce, między 49 a 55° szerokości geograficznej, kąt β – w myśl powyższej zasady – powinien wynosić 34–70°. Wieloletnie obserwacje prowadzone przez IMiGW wykazały, że optymalny w warunkach klimatycznych Polski kąt nachylenia powierzchni kolektora płaskiego eksploatowanego w ciągu roku wynosi β = 40°, z dużym zróżnicowaniem w poszczególnych okresach wykorzystania.

 

Tabela 4 . Optymalny kąt pochylenia kolektora słonecznego w różnych okresach jego wykorzystania w Polsce

 

    W przypadku umieszczenia kolektora słonecznego na powierzchni Ziemi lub przy ścianach budynków, wraz ze zwiększeniem się kąta β zwiększa się też do 30% udział promieniowania odbitego od powierzchni otaczających, a docierającego do powierzchni kolektora . W tych przypadkach optymalny kąt pochylenia β kolektora słonecznego będzie większy od wartości podanych w tabeli 4.
Stosunek uśrednionej w ciągu roku sumy promieniowania całkowitego na powierzchnie nachylone do uśrednionej w ciągu roku sumy promieniowania całkowitego na powierzchnie poziome, przy ekspozycji południowej (
α = 0°) w Polsce, przedstawiono w tabeli 2. Uwzględniono w niej również odchylenie normalnej kolektora od kierunku południowego (α = 45°) w kierunku wschodnim i zachodnim.
W celu uzyskania rzeczywistych danych o dziennym dopływie energii do 1 m2 kolektora zainstalowanego pod kątem
β, wartości zawarte w tabeli. 6 należy pomnożyć przez współczynniki z tabeli 5 dla danego kąta β.
     Kolektory słoneczne raczej nie powinny być lokalizowane w warunkach, w których odchylenie normalnej do ich powierzchni od kierunku południowego przekracza
α ±15°. Przy większym odchyleniu kolektora od kierunku południowego, jego wydajność znacznie zmniejsza się, jak to przedstawiono w tab. 5. Z tabeli tej wynika również to, że odchylenie od kierunku południowego w kierunku wschodnim jest korzystniejsze niż w kierunku zachodnim.

 

Tabela 5. Stosunek rocznych sum promieniowania całkowitego na powierzchnie nachylone pod kątem β do rocznych sum promieniowania całkowitego na powierzchnie poziome, przy ekspozycji południowej lub odchylonej od kierunku południowego o 45°, gdzie S – Południe; SW – Południowy Zachód; SE – Południowy Wschód

 

Tabela 6 Potencjalna energia użyteczna H (Wh/m2/podany okres), w wybranych miastach Polski

 

Przydatne dane do obliczeń kolektorów słonecznych

 

 

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