Kolektory słoneczne stacjonarne i nadążne różnych stopni swobody Energia słoneczna do napędu urządzeń klimatyzacyjnych

W artykule opisano analizę pracy kolektorów słonecznych zastosowanych do napędu klimatyzatora strumienicowego małej mocy, służącego do chłodzenia pomieszczeń poddasza domu jednorodzinnego. Analizie poddano różne warianty kolektorów stacjonarnych i nadążnych. Szczególną uwagę poświęcono kolektorowi nadążnemu wokół ukośnej osi obrotu. Do analiz wykorzystano specjalnie opracowany dla tych potrzeb program obliczeniowy promieniowania słonecznego dla terenu Polski. 

   Typowym, współczesnym zastosowaniem kolektorów słonecznych jest wytwarzanie ciepłej wody użytkowej. Znaczny postęp technologiczny jaki nastąpił w budowie kolektorów oraz upowszechnienie ich produkcji spowodowały, że łatwo je dostosować do napędu chłodniczych urządzeń klimatyzacyjnych. Do współpracy z kolektorami predestynowane są przede wszystkim obiegi absorpcyjne i strumienicowe. Oba te obiegi pozostają aktualnie nieco na uboczu chłodnictwa krajowego ze względu na dominację masowej produkcji urządzeń sprężarkowych.
  
Kolektory słoneczne
   Kolektory słoneczne w zakresie ich położenia dzielą się na dwa podstawowe typy: stacjonarne i nadążne. Pierwsze z nich mocowane są najczęściej ściśle do powierzchni dachu lub ściany budynku, drugie z kolei wymagają specjalnej konstrukcji, która umożliwia wykonywanie obrotu kolektora – najczęściej za pomocą silnika elektrycznego.
  
   Zaletą kolektorów stacjonarnych jest prosty montażu, odporność na porywisty wiatr, łatwość wkomponowania w architekturę budynku, brak części ruchomych. Ich wadą jest konieczność znalezienia lokalizacji możliwie najbardziej zorientowanej na południe i nachylonej pod pewnym kątem. Kolektory tego typu pochłaniają promieniowanie słoneczne w pewnej tylko porze dnia (np. w południe) natomiast w pozostałych porach kąt padania promieni słonecznych względem normalnej do płaszczyzny kolektora jest zbyt duży. Kolektory nadążne "śledzą" położenie słońca i w zależności jakie maja stopnie swobody dążą do zmniejszenia kąta pomiędzy normalną do płaszczyzny kolektora a bieżącym kierunkiem padania promieni (stąd nazwa nadążne). Ich zaletą jest więc maksymalizowanie pochłanianego promieniowania niezależnie od pory dnia i pozycji słońca. Wadą kolektorów nadążnych jest skomplikowana budowa, awaryjność konstrukcji ruchomej a w szczególności jej wrażliwość na porywiste wiatry i oblodzenie. Kolektory takie zazwyczaj trudno jest  wkomponować w architekturę budynku pomimo ich wizualnej atrakcyjności oraz intrygującego, nowoczesnego wyglądu. Kolektory nadążne znakomicie nadają się do skupiania promieni słonecznych co w warunkach krajowych pozwala przekroczyć gęstości promieniowania 1000W/m2 a więc umożliwia osiągniecie temperatury napędowej urządzeń chłodniczych z zakresu 150-400oC. Wysokie temperatury uzyskiwane w skupiających kolektorach słonecznych pozwalają absorpcyjnym i strumienicowym urządzeniom chłodniczych osiągnąć wysokie wartości współczynnika COP (rys. 2) (które obliczone zostały na podstawie [2]).

   Do przeprowadzenia niniejszych analiz opracowano specjalny program obliczeniowy pozwalający na modelowanie bilansu promieniowania słonecznego w zadanym przedziale roku dla dowolnie nachylonej powierzchni. Bilansowanie polega na zliczaniu krok po kroku (w praktyce wystarcza 1-30 minut) chwilowych wartości gęstości promieniowania [W/m2] bezpośredniego, rozproszonego i odbitego. Bilansowanie prowadzi się w zadanym przedziale roku a następnie porównuje otrzymane sumy wyznaczone dla różnych konfiguracji płaszczyzny. Metodologię obliczeń zależności geometrycznych zaczerpnięto z [1]. Niektóre ze wzorów wymagały przebudowy i uzupełnienia o dodatkowe kąty obrotu płaszczyzny wokół nachylonej osi. Analizie poddano trzy kąty geometrii płaszczyzny kolektora (rys. 3) w tym dwa podstawowe opisywane w [1, 3]:
* ? – kąt azymutu wyznaczany przez jego orientację przykładowo: na północ 0o, wschód 90o, południe 180o, zachód 270o. Zwyczajowo najlepsza jest południowa gdzie ?=180o.
* ? – kąt nachylenia płaszczyzny kolektora względem poziomu posiadający dwa przypadki szczególne: kolektor poziomy dla ?=0o oraz pionowy dla ?=90o.

Kolektory słoneczne nadążne, nieskupiające
   Kolektory nadążne zwyczajowo rozpatrywane są w trzech podstawowych typach nadążności:
* w płaszczyźnie poziomej (poziomo nadążny),
* w płaszczyźnie pionowej (pionowo nadążny),
* w płaszczyźnie poziomej i pionowej (dwupłaszczyznowo).

   Specjalnie na potrzeby niniejszego opracowania dodano, czwarty typ nadążności:
* wokół nachylonej osi (ukośnie nadążny) (...)

CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ:

TRADYCYJNĄ                         E-WYDANIE