środa, 27 marca 2013

kolektor

Mam do zrobienia mogel kolektora słonecznego który będzie oświetlany dwoma lampami na podczerwień o łącznej mocy 750W. Powierzchnia kolektora będzie pokryta czarna farba. I teraz zaczyna sie problem bo w obliczeniach sie całkowicie pogubiłam ;) Kolektor sloneczny bedzie mial na celu ogrzanie wody znajdującą się w 2 lub 3 litrowym zbiorniku. Problem polega na tym ze model nie może być duży. Wymiary powinny mieścić się w granicach 60cmx 60cm. Cz takie wymairy starcza aby ogrzac wodę o 30-40 stopni w ciągu godziny. Od razu mówię, że parametry takei jak wymairy kolektora są ruchliwe, moc lamp czy wielkosc zbiornika są ruchliwe i mogę ulegać zmianie. Jeszcze zadnych elementow eni zamowilam.  Od jakiegoś czasu uparłem się, że skonstruuje dobry kolektor słoneczny zupełnie innego typu - tzw. zasobnikowy. Idea jest taka ażeby powiedzmy zbiornik z wodą był podgrzewany bezpośrednio przez słońce. Dwa lata temu zrobiłem dwa takie prototypy, które do dziś pracują u mnie, jestem zadowolony. Od tego czasu udoskonaliłem znacząco konstrukcję klimatyzacji, wykonałem inny prototyp, usiłowałem nim zainteresować kogoś na allegro - odzew miałem praktycznie zerowy. Producenci kolektorów praktycznie pukają się w czoło - nikt nie przyjmuje do wiadomości że kolektor może być inny niż dwa typy obowiązujące (płaski i próżniowy)
Główną wadą tego kolektora jest to, że nie da się go zrobić zbyt tanio. Natomiast zaletą jest to że cała instalacja jest mało wymagająca - nie ma potrzeby stosowania zbiornika z osobną wężownicą, sterownika elektronicznego, pompki i innych elementów typu naczynia wzbiorcze, rurki aluplex są idealne i tanie. Oczywiście takie elementy jak np zapowietrzanie się instalacji, możliwość zanieczyszczeń glikolem, dobór jakichkolwiek parametrów też są tu obce.
Kolektor instaluje się przed istniejącą instalacją CWU (np dla podgrzewacza przepływowego jest to jedyne i idealne rozwiązanie) - woda studzienna o temperaturze 9 - 11 C wpływa do niego, natomiast wypływa woda podgrzana wraz z poborem ciepłej wody.
Dam przykład wykonany kolektor o pojemności 60 litrów i powierzchni 1,06 m2 w kwietniu bywały dni że dawał ponad 4 kWh energii dziennie - woda podgrzewała się średnio do ponad 60 C. (góra 76 C dół 50 C). Natomiast w dniu np dzisiejszym 17.05. 2010 temperatura powietrza ok. 10 C opad deszczu ciągły promieniowanie 40 -80 W/m2 podgrzał wodę z 13,7C do 17,9 C. Wiem, że nie jest to wynik imponujący ale przypuszczam że może to być jedyny kolektor klimatyzacji w tym rejonie Polski, który w ogóle pracował (na podstawie obserwacji innych instalacji online).

Kolektor do tej pory wykonywałem jako wolno stojący - zmierzone straty ciepła oceniam na ok. 2,5 W/m2K kolektora. Gdyby kolektor zabudować w połaci dachu - np tak jakby pod oknem dachowym to zmniejszyłbym straty ciepła przez bok i spód kolektora i przez cztery stalowe podparcia natomiast instalacja hydrauliczna nie wychodziłaby poza obrys budynku. Straty ciepła wynosiłyby pewnie poniżej 1,3 W/m2K dla niskich temperatur i rosłyby dla wyższych.
Kolektor zabudowany w połać dachu powinien być też znacznie tańszy od wolno stojącego - nie trzeba robić obudowy - tył przód boki, podpory stalowe mniejsze nic nie narażone na korozję.

Np zimą kolektor 75 litrowy 1,2 m2 w największe mrozy traciłby dziennie (24 h) około 0, 5 kWh - maksymalnie 0,7 kWh - natomiast sama pojemność cieplna zawartej wody o temperaturze studziennej wynosi tu ponad 0,9 kWh - czyli gdyby pobrać wodę raz dziennie 75 litrów to mowy nie ma o zamarzaniu. Zwracam uwagę, że najbardziej mroźne dni są słoneczne (ponad 1kWh/m2) i oczywiście tak zamontowany kolektor byłby też ogrzewany przez ściany domu.
Drugim ograniczeniem dla tego kolektora jest to ażeby latem w słoneczy dzień temperatura wewnątrz takiego kolektora nie była wyższa niż np 70 C ? Należy dobrać kolektor tak aby jego pojemność wynosiła ponad 60 litrów na 1 m2. Uwzględnić też tu trzeba wszystkie elementy stalowe - zbiornik, płyty aluminiowe, które też będą akumulowały ciepło. Im większa pojemność zbiornika tym kolektor pracuje sprawniej i jest bezpieczniejszy - występuje tylko jedna wada cena zbiornika ss !!!! i waga.
Przy wyjazdach wakacyjnych można robić rolety lub np zdejmowaną tylna ściankę - malowany na czarno tył zbiornika będzie wypromieniowywał ciepło klimatyzacji.

Kolektor stanowi jedna rura ze stali 304 (nierdzewna). Rurę tę można kupić w odcinkach 3 lub 6 metrów - czyli można ją pociąć na odcinki 1,2m 1,5m lub 2m.
Wg mnie najodpowiedniejsza jest rura o średnicy 254 mm np odcinek 1,5m to około 75 litrów wody. Nie jest jeszcze zbyt droga (około 150 PLN za metr netto, dennice 50 PLN netto) a zapewnia odpowiednią pojemność.
Po kilku próbach zdecydowałem się na mocowanie tzw. skrzydeł aluminiowych do boku rury - odpowiednio zwiększając powierzchnię kolektora. Przytwierdzam blachę aluminiową 2 mm. Na wszystko dałem powłokę selektywną - Tinox. Z obliczeń wynika, że ażeby zachować taką sprawność jak w kolektorze płaskim - miedź 0,2 mm (czyli zbytnio nie nagrzewać blachy promieniowaniem słońca i zapewnić transmisję ciepła do zbiornika) bok blachy nie powinien być szerszy niż 13 cm. W kolektorze zasobnikowym gdzie straty ciepła są niższe niż w płaskim dużą rolę w przewodzeniu ciepła odgrywa...... powietrze otaczające zbiornik - stwierdziłem że jest to dość znaczący czynnik - koniec blachy rozgrzewa się do wyższej temperatury natomiast po obu stronach skrzydła następuje mieszanie się ciepłego powietrza z zimnym.

Przyznam się jeszcze do jednego wymyśliłem pewien patent - spodnią część skrzydła maluję na czarno zapewniając bardzo intensywne wypromieniowanie w podczerwieni energii słonecznej z rozgrzanych skrzydeł - spód zbiornika (malowany na czarno) i skrzydła otaczam folią aluminiową która zapewnia rodzaj pułapki promieniowania podczerwonego - nic nie ucieka, zbiornik z wodą wszystko odbiera. Spokojnie można stosować skrzydła 25 cm szerokości każde.
Nawet przy pełnym nasłonecznieniu szyba kolektora nie nagrzewa się zbytnio - zdumiewający efekt -szyba ledwo ciepła a z kolektora wypływa prawie wrzątek.
Można też oczywiście zastosować zwierciadło odbijające promieniowanie w kierunku zbiornika - w połączeniu z małymi skrzydełkami można dojść do efektywnej szerokości kolektora nawet 1000 mm (1 m) - zrezygnowałem z tego ze względu na cenę, komplikację i inne czynniki.

Na górę stosuję szybę solarną zespoloną - szkło hartowane. Nie wiem jaka jest wytrzymałość tej szyby na temperaturę. Gdy temperatura zbiornika z wodą wynosi około 70 C to w górnej części kolektora temperatura powietrza osiąga nawet do 90 C. Testowałem tę szybę nawet przy temperaturach ponad 120 C nie widziałem nic negatywnego.

Wiem, że dla wielu ludzi kolektor słoneczny bez sterownika, glikolu, pompki i różnorakich problemów to pewnie herezja. Proszę pomyśleć wiosną, latem promieniowanie rozproszone praktycznie nie spada poniżej 100 W/m2 (takie dni jak 17 maja to naprawdę wyjątki). Jeśliby temperatura otoczenia wynosiła 15 C i straty ciepła wynosiły nawet 2W/m2K (przy wyższych temperaturach dojdą straty np przez ścianę) to temperatura stagnacji wynosi tu 100W/m2 / 2 W/m2K + 15 C = 65 C. - Czyli jeśli słonko będzie sobie zachodzić za chmurki i pojawiać, albo tylko prześwitywać to kolektorek cały czas będzie się nagrzewał - całkował promieniowanie, chyba że wcześniej osiągnie 65 C (obliczeniowo nie powinien przekraczać około 75 C - 75 litrów, 1,2 m2). Oczywiście nie uwzględniłem tu sprawności optycznej - podwójna szyba solarna - jest niższa niż w płaskich, porównywalna do próżniowych. Ze względu na to że nie ma tu strat związanych z pompowaniem glikolu, progu zadziałania, zużycia energii etc to śmiem twierdzić że w początkowej fazie grzania - gdy będziemy grzać wodę o temperaturze np 10 C do np 40 C nie będzie miał sobie równych w działaniu czy chcemy czy nie cały czas działa. Sprawność kolektora będzie tum większa im częściej będzie pobierana woda w ciągu dnia.

Dołączam przykładowy rysunek mocowania kolektora w ścianie dachu. Zwracam uwagę że dla kolektora 75 litrów całkowity ciężar zbiornika z wodą nie przekracz 105 kG.
Np dla kąta dachu 45 większość ciężaru powinna przejąć ściana kolankowa - prawie każda ma nadproże betonowe zero problemu. W górnej części powinna działać siła prostopadle skierowana do krokwi o wielkości około 36 kG. Wg. mnie to żaden ciężar dla normalnie stosowanych krokwi. Najczęściej trochę wyżej występują dodatkowe elementy dachowe usztywniające krokwie.

I teraz najciekawsze jeśli ktoś uprze się i zrobi sam taką konstrukcję to prawdopodobnie zmieści się w cenie 1500 PLN za taki kolektor 75 litrów wraz z prostą instalacją.
Prawdopodobnie jedynym problemem będzie nabycie blachy wysoko selektywnej (musi taka być aby działało to tak jak opisałem) i szyby solarnej. Mogę służyć radą i pomocą.

Kalkulacja dla energii elektrycznej
cena < 1500 PLN (robota własna)
zysk roczny szacuję co najmniej 850 kWh * 0,55 PLN => 460 PLN

Zalety w stosunku do tradycyjnych instalacji:

-brak nakładów serwisowych np wymiana glikolu
-brak zużycia energii elektrycznej
-dostęp od środka dach nie przebity
-bezkonkurencyjny jeśli chodzi o odbiór promieniowania rozproszonego
-łatwo można zapewnić bezpieczeństwo wakacyjne