Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
PCBwayPCBway
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Kolektor słoneczny - Podstawy teoretyczne

02 Sty 2014 19:07 25020 135
  • Poziom 32  
    Do założenia tego wątku skłoniły mnie podstawowe błędy popełniane przez osoby budujące własny kolektor. Aby zrobić naprawdę wydajne urządzenie przy minimalnym nakładzie finansowym warto wiedzieć skąd bierze się energia w kolektorze i którędy ucieka. Postaram się pisać jak najprościej, gdyby były jakieś pytania to chętnie rozszerzę o odpowiednie wzory i przykłady obliczeń.

    Absorber ma za zadanie pochłanianie energii słonecznej i jej zamianę na energię cieplną. Najważniejsze parametry to:
    Współczynnik absorpcji, czyli ile energii pochłonie. Dla większości czarnych farb wynosi on ponad 0.9, czyli min. 90% energii słonecznej zostanie zamieniona na ciepło, a reszta będzie odbita.
    Współczynnik emisji, czyli ile promieniowania podczerwonego "ucieka" z rozgrzanego absorbera. Większośc amatorów albo nie wie o jego istnieniu, albo ignoruje jego znaczenie. W przypadku typowych materiałów współczynnik emisji jest równy współczynnikowi absorpcji. Czyli dla czarnej farby absorber wypromieniuje 90% energii jaką w danej temperaturze promieniuje ciało doskonale czarne. Ta emisja rośnie bardzo gwałtownie, 1 m2 o temp. 20 stopni traci ok. 400W, a w temp. 80 stopni ok. 900 W! Absorbery selektywne działają w taki sposób, że przy np. absorpcji 0.9 emitują 0.1 co znacznie obniża straty kolektora. Niestety, wykonanie powłoki selektywnej jest raczej poza zasięgiem konstrukcji amatorskiej. Na szczęscie dużą ilość uciekającej podczerwieni przechwytuje szyba, więc straty z tego tytułu są mniejsze niż w/w. W prostym kolektorze wystarczy ograniczyć straty z tyłu absorbera, np. przez jego dobre wypolerowanie lub dodanie folli aluminiowej.

    - Kolektor w ktorym współczynnik emisji jest wysoki będzie się zachowywał tak samo jak ten, gdzie niski jest współczynnik absorpcji (np. pomalowany na biało). Pomimo wystawienia na ostre Słońce osiągnie dosyć niskie temperatury nawet bez odbioru ciepła. Taki kolektor już jesienią przestanie dostarczać energię pomimo zastosowania bardzo dobrej izolacji termicznej.


    Izolacja termiczna ma za zadanie ograniczyć ucieczkę ciepła z kolektora. Ilość ciepła jakie z niego ucieknie zależy od kilku czynnikow: różnicy temperatur kolektor-otoczenie, powierzchni kolektora i od jakości izolacji. Wszystkie w/w są liniowe, czyli np. 2x lepsza izolacja da 2x mniejsze straty ciepła. Podobnie 2x mniejsza różnica temperatur spowoduje 2x mniejszą ucieczkę ciepła. Przykladowo przez 5 cm styropianu lub wełny "ucieka" 1 W/m2*K. Inaczej mówiąc po 1 godzinie pracy przy 1 stopniu róznicy na każdym metrze kolektora tracimy 1 Wh. To tylko i wyłącznie ucieczka ciepła przez ocieploną tylną część, w obliczeniach należy uwzględnić także straty ciepła na szybie.

    - Kolektor w ktorym szwankuje izolacja termiczna może bardzo dobrze pracować latem, a jesienią przy takim samym nasłoniecznieniu przestanie działać. Wynika to z tego, że gdy latem ma np. 50 stopni przy 30 stopniach na zewnątrz deltaT wynosi 20 stopni. Gdy na zewnątrz jest 10 stopni deltaT wynosi 40 stopni, czyli z kolektora ucieka 2x więcej ciepła niż latem, więc automatycznie mniej ciepła można z niego odebrać.


    Przewodzenie ciepła między absorberem a rurami jest o tyle ważne, że im lepszy odbiór ciepła tym większa wydajnośc kolektora. Najlepiej aby rezystancja termiczna między nimi była jak najmniejsza co sprawadza się głównie do kontaktu rury z absorberem jak największą powierzchnią. Istotna jest także grubość blachy absorbera, jego przewodnictwo cieplne oraz odstep mniędzy rurami. Im lepsze przewodzenie ciepła tym cieńszej blachy można użyć lub dać większe odstępy między rurami.

    - Jeżeli kolektor ma słabe odprowadzanie ciepła z absorbera to podczas pracy będzie się znacznie nagrzewał pomimo tego, że woda w bojlerze jest zimna, a pompa pracuje na pełnych obrotach. Ideałem jest taka konstrukcja, aby kolektor utrzymywał różnicę temp. zbliżoną do ustawień sterownika (np. 10-15 stopni) nawet przy intensywnie świecącym Słońcu. Jak wyjaśniłem wcześniej im wyższa temperatura kolektora tym większe straty ciepła, czyli złe przewodzenie ciepła oznacza mniejszy uzysk.


    Pojemność cieplna instalacji jest ważna głównie podczas startu kolektora. Aby go ogrzać do temperatury gdy włączy się pompa Słońce musi najpierw dostarczyć na tyle dużo energii by "przełamać" bezwładność cieplną absorbera, rur, glikolu i całej reszty. Jednak kij zawsze ma dwa końce, zbyt mała pojemnośc cieplna może spowodować zbyt szybką reakcję na byle chmurkę i ciągłe włączanie i wyłączanie pompy. Tu należy szukać "złotego środka".

    - Zbyt duża pojemność cieplna to długi czas nagrzewania sie kolektora co ogranicza jego czas pracy i związany z tym uzysk energii. Zbyt mała pojemnośc to praca przerywana niezbyt zdrowa dla pompy.


    Temperatura do jakiej rozgrzewa się kolektor jest wypadkową energii dostarczanej do niego i energii która jest z niego odbierana oraz ucieka. Wynika stąd prosty wniosek: im mniejsza będzie ucieczka ciepła tym wyższe temperatury będzie osiągał kolektor i tym więcej ciepła można z niego odebrać. Podam prosty przykład w/w zależności na liczbach wziętych z sufitu po to aby łatwo było liczyć. Jednak zależności będą prawidłowe, a wyniki zbliżone do rzeczywistych efektów pracy przykladowego kolektora.

    Przykładowy kolektor przy promieniowaniu 1000 W/m2 i temp. zewnetrznej 30 stopni bez odbioru ciepła rozgrzewa się do 90 stopni (dT=60). Jeżeli przykładowa ucieczka ciepła wynosi 300 W/m2, a prom. podczerwieni 600 W/m2 to wynika stąd wniosek, że współczynnik absorpcji wynosi 0.9. W tym wypadku 1000*0.9=300+600. Jeżeli z tego kolektora zaczniemy odbierać ciepło w ilości 300Wh na godzinę na m2 (obciązenie mocą 300 W/m2) to temperatura zacznie spadać do czasu, aż nie uzyska się nowej równowagi mocy wejściwej do sumy mocy wyjściowych. Jeżeli w temp. 60 stopni (dT=30) ucieczka ciepła to 150 W/m2, a ucieczka podczerwieni wyniesie 450 W/m2 uzyskamy rownowagę: 1000*0.9=150+300+450. Oznacza to, że taką właśnie temp. osiągnie kolektor przy danym odbiorze ciepła.
    Przypuśćmy, że przy tym samym promieniowaniu słonecznym temperatura na zewnątrz wynosi -30 stopni (mroźny lutowy dzień). Straty ciepła wzrosłyby wtedy dwukrotnie do 600 W/m2, przy prom. podcz. rownym 600 W/m2 moc strat przekroczy moc promieniowania słonecznego. Kolektor "poszuka" nowego stanu równowagi. To oznacza, że absorber rozgrzeje się do tylko takiej temp. gdy suma strat mocy wyniesie 900 W/m2. Jeżeli np. w temperaturze 55 stopni ucieczka ciepła wynosi 500 W/m2, a podczerwieni 400 W/m2 to właśnie taką temperaturę osiągnie kolektor z ktorego nie odbiera się ciepła.

    Mam nadzieję, że podane przykłady pomogą w doskonaleniu własnych kolektorów. Jeżeli coś namieszałem lub są błędy proszę o sprostowanie. Proszę też o podzielenie się swoimi obserwacjami na temat zależności pomiędzy różnymi zjawiskami fizycznymi ktore wpływają na pracę kolektorów. Bo porządny kolektor można zrobić bardzo tanio pod jednym warunkiem - będziemy potrafili wyłapać błędy w założeniach lub budowie. Własnoręcznie sprawdziłem, czy możliwe jest wybudowanie prostego i użytecznego kolektora w cenie 1500 zł za ok. 4 m2 - tak, to jest możliwe :)
  • PCBwayPCBway
  • Specjalista - kolektory słoneczne
    gaz4 napisał:
    Własnoręcznie sprawdziłem, czy możliwe jest wybudowanie prostego i użytecznego kolektora w cenie 1500 zł za ok. 4 m2 - tak, to jest możliwe :)

    Przede wszystkim należy sobie odpowiedzieć na pytanie co to jest kolektor prosty i użyteczny.
    A szczególnie w myśl tego co poprzednio napisałeś. A napisałeś całkowicie słusznie:
    gaz4 napisał:
    Współczynnik emisji, czyli ile promieniowania podczerwonego "ucieka" z rozgrzanego absorbera. Większość amatorów albo nie wie o jego istnieniu, albo ignoruje jego znaczenie. W przypadku typowych materiałów współczynnik emisji jest równy współczynnikowi absorpcji. Czyli dla czarnej farby absorber wypromieniuje 90% energii jaką w danej temperaturze promieniuje ciało doskonale czarne.

    Uważam nawet, że jest to najważniejszy współczynnik warstwy absorpcyjnej.
    Tylko jak pogodzić wykonanie warstwy z zachowaniem tego współczynnika na poziomie 0,9 ze stwierdzeniem: wykonać prosty, użyteczny i jeszcze za 1500zł w warunkach czysto amatorskich.
    Masz patent na ominięcie tego współczynnika przy zachowaniu parametrów sprawności, czy uzysku na przyzwoitym poziomie?
    Zwróć uwagę z czego ludzie budują kolektory, w przeważającej większości są to grzejniki panelowe, bo one załatwiają wiele kłopotów, ci co wykonują na wzór fabrycznych i to jeszcze z aluminium nie są w stanie prócz farby niczym pokryć a i powierzchnia przylegania rurki i blachy też ma wiele do życzenia.
    Opisz swoją budowę z kalkulacją.

  • Poziom 37  
    gaz4 napisał:

    Współczynnik emisji, czyli ile promieniowania podczerwonego "ucieka" z rozgrzanego absorbera. Większośc amatorów albo nie wie o jego istnieniu, albo ignoruje jego znaczenie. W przypadku typowych materiałów współczynnik emisji jest równy współczynnikowi absorpcji. Czyli dla czarnej farby absorber wypromieniuje 90% energii jaką w danej temperaturze promieniuje ciało doskonale czarne. Ta emisja rośnie bardzo gwałtownie, 1 m2 o temp. 20 stopni traci ok. 400W, a w temp. 80 stopni ok. 900 W! Absorbery selektywne działają w taki sposób, że przy np. absorpcji 0.9 emitują 0.1 co znacznie obniża straty kolektora.

    Absorpcja i emisja wcale nie muszą być równe i często nie są, przy absorpcji, w tym wypadku, mamy inny zakres widma który dodaje energię, a przy emisji mamy inny zakres (widzialne vs podczerwień).
    W takich warunkach zawsze absorpcja do emisji będzie "inplus" można jedynie walczyć o dodatkowe procenty "uzysku".
  • Poziom 13  
    gaz4 napisał:
    Ta emisja rośnie bardzo gwałtownie, 1 m2 o temp. 20 stopni traci ok. 400W, a w temp. 80 stopni ok. 900 W!
    Ja emisyjność rozumiem inaczej/w prawdzie z fizyki miałem tylko słabą trójkę/ tzn.emisyjność zależy od temperatury ale przede wszystkim od różnicy temperatury między ciałełem cieplejszym a zimniejszym przykłady;
    kolektor płaski w Kuwejcie temperatura w slońcu 50 st C- wuwczas do 50 st C absorber nie będzie emitował /wysyłał/ nic promieniowania do atmosfery- do 50 st będzie odbiorcą emisji od rozgrzanego powietrza, absorber po przekroczeniu w/w temperatury będzie dopiero emiterem , czym większa różnica tym większa emisja- zawsze cieplo emituje z ciala o wyższej temperaturze do niższej/nigdy odwrotnie/
    przykład drugi to kolektor w skandynawi temp. -20 st C powieterza w kolektorze zero st C emisyjnośc przy rożnicy temperatur 20 st C jest już znaczna
  • Poziom 42  
    KDK1456 napisał:
    ...będzie odbiorcą emisji od rozgrzanego powietrza,

    Coś ci się "pomelało". Chyba ta trója była zasłużona.
    Nie ma czegoś takiego jak "emisja od rozgrzanego powietrza "! A jeżeli jest, bo każde ciało w temp. powyżej zera bezwzględnego coś emituje, to są nanowaty! Emisja zależy od CZWARTEJ potęgi temperatury. Pomyśl jaką temperaturę ma powierzchnia słońca i podnieś ją do czwartej potęgi.
    W kolektorach istotna jest nie emisja ale absorpcja. Przecież mamy absorbery. Chodzi o to aby jak najwięcej promieniowania słonecznego zostało w absorberze a nie zostało odbite "w kosmos" z powrotem. Nie zależy to prawie od temperatury.
    Oczywiście temperatura zewnętrzna wpływa na zmniejszenie efektywności kolektora, ale ma to mały związek z emisją. Tu rolę grają bardziej "przyziemne" zjawiska jak konwekcja i przewodzenie.
  • Poziom 32  
    Bachus, jest kilka sposobów na ominięcie problemów z wysokim współczynnikiem emisji. Najprostszy to praca na jak najniższej temperaturze. Np. kolektor służy tylko i wyłącznie do dogrzewania wody w dużym zasobniku. Właściwą temperaturę uzyskuje się w małym bojlerze z grzałką. Innym jest takie dobranie szyby aby odbijała bądź pochłaniała jak najwięcej podczerwieni. Kiedyś próbowałem oszacować emisję swojego kolektora i wychodziły mi wartości w zakresie 0.2-0.4. Podstawowym problemem było zmierzenie promieniowania słonecznego oraz oszacowanie uzysku z podczerwieni w pochmurne dni. Mam nawet pomysł jak zrobić w miarę proste urządzenie do pomiaru strat ciepła oraz emisji podczerwieni - wystarczy pomiar temp. powietrza, absorbera oraz promieniowania słonecznego. Z tym ostatnim jest najgorzej, ale da się zrobić tanio i w miarę dokładnie (jak na amatora oczywiście). Wystarczy mały panel fotowoltaiczny np. 6V/6W (napięcie w punkcie mocy maksymalnej) oraz dioda zenera 6V/6W. Gdy połączy się ją z fotowoltaiką prąd wyrażony w miliamperach będzie zbliżony do mocy promieniowania.

    Szczerze mówiąc też miałem duże problemy ze zrozumieniem czym jest współczynnik emisji. Z absorpcją sprawa jest prosta - moc promieniowania * wsp. absorpcji i mamy moc "zbieraną" przez absorber. Reszta zostaje odbita, czyli gdy wsp. absorpcji wynosi 0.9 to odbicia 0.1. Z emisją jest inaczej, to moc promieniowania podczerwonego jakie emituje ciało doskonale czarne w danej temperaturze. Ta zależy TYLKO i WYŁĄCZNIE od temperatury bezwzględnej. Jeżeli ciało doskonale czarne w temperaturze 100 stopni Celcjusza (373K) emituje 1120 W/m2 to ZAWSZE tyle wyemituje - na pustyni, w kosmosie i na biegunie. Współczynnik emisji określa o ile mniej wyemituje rzeczywista substancja i dla większości naturalnych jest on zbliżony do wsp. absorpcji. Czyli jeżeli czarna farba absorbuje 0.9, to emituje także 0.9. To jest podstawowy czynnik uniemożliwiający rozgrzanie się na Słońcu do wyższych temperatur, można pod spód pomalowanej na czarno blachy podłożyć dowolną ilość izolacji i nic. Dopiero szyba zatrzymująca podczerwień na to pozwala, im więcej podczerwieni uda się przechwycić tym wyższą temperaturę uzyska kolektor (oraz to co nas najbardziej interesuje będą najmniejsze straty = największy uzysk).
  • Poziom 42  
    [quotec="gaz4"]Z emisją jest inaczej, to moc promieniowania podczerwonego jakie emituje ciało doskonale czarne w danej temperaturze. Ta zależy TYLKO i WYŁĄCZNIE od temperatury bezwzględnej.[/quote]
    Prawie OK. ale dalej:
    gaz4 napisał:
    Jeżeli ciało doskonale czarne w temperaturze 100 stopni Celcjusza (373K) emituje 1120 W/m2 to ZAWSZE tyle wyemituje - na pustyni, w kosmosie i na biegunie.


    Mało tego wyemituje w przestrzeni kosmicznej. Tylko jaki związek ma to z kolektorem słonecznym?
    Przecież jest to więcej niż dociera w naszej szerokości geograficznej ze słońca w lecie!
    Czyli co mamy perpetum mobile? A może nie da się dogrzać kolektora do tej temperatury? To skąd się biorą wszystkie ostrzeżenia o możliwości uszkodzenia instalacji?
  • PCBwayPCBway
  • Poziom 38  
    Dalej to wszystko wpada w czarna dziure i nie ma z tego zadnego pozytku. :-)
    Jedynie wrazenia wlasciciela pozostaja na "horyzoncie zdarzen". :-)
  • Poziom 32  
    Pisałem o hipotetycznej substancji zwanej ciałem doskonale czarnym którego wsp. absorbcji i emisji wynosi 1. W rzeczywistości te wsp. są różne, w dodatku szkło nie jest w 100% przepuszczalne dla podczerwieni, więc wyniki są nieco inne. Podam przykładowe obliczenia emisji kolektora. Najważniejszy wzór to:

    P=(T/64.5)^4

    Jeżeli kalkulator nie może podnosić do czwartej potęgi można to przekształcić tak:

    P=((T/64.5)^2)^2, czyli dzielimy temperaturę w Kelwinach przez 64.5 i dwa razy podnosimy do kwadratu.

    Po przekształceniu temperatura jaką uzyska ciało doskonale czarne gdy emituje daną moc oblicza się tak:

    T=(P^(1/4))*64.5

    Zapis ^(1/4) oznacza pierwiastek czwartego stopnia i powinien być zrozumiały dla większości dobrych kalkulatorów.

    W praktyce wygląda to tak: przypuśćmy, że mamy kolektor próżniowy ktory nie ma żadnych strat ciepła, a szkło przepuszcza 100% światła widzialnego i podczerwieni. Dla uproszczenia przyjmę, że kolektor absorbuje i emituje cała powierzchnią a wsp. absorpcji wynosi 0.9. Jeżeli na ten kolektor pada 800W/m2 to absorber pochłonie 720W/m2. Ponieważ temperatura równowagi jest osiągana wtedy, gdy emisja jest równa absorpcji to bez odbioru ciepła kolektor o wsp. emisji równym 0.9 rozgrzeje się do max:

    720/0.9=800 W/m2

    T=(800^(1/4))*64.5=343K czyli 70 stopni.

    Jeżeli jednak kolektor będzie miał powlokę selektywną ze wsp emisji 0.1 to temperatura rówowagi wyniesie:

    720/0.1=7200

    T=(7200^(1/4))*64.5=594K czyli 321 stopni!

    Do takiej temperatury może się rozgrzać taki idealny kolektor gdy nie odbiera się z niego ciepła. W/w obliczenia mają bardzo praktyczne znaczenie przy budowie i eksploatacji kolektorów. Przpuśćmy, że odbieramy z nich ciepło tak, że osiągnęły one 60 stopni. Moc promieniowaia podczerwonego emitowanego przez kolektor wyniesie:

    P=((273+60)/64.5)^4 = 710 W/m2

    Absorber o wsp. emisji 0.9 wypromieniowuje:

    710 * 0.9 = 639 W/m2

    Ponieważ 1 m2 kolektora absorbuje 720 W to z kolektora jest odbierane:

    720-639=81W/m2

    W przypadku kolektora z absorberem selektywnym mamy odpowiednio:

    710 * 0.1 = 71W/m2

    720 - 71 = 649W/m2

    Czyli 8x więcej niż poprzednio! Ale gdyby ciepło było odbierane w temp. 40 stopni sprawa miałaby się znacznie lepiej:

    P=((273+40)/64.5)^4=555 W/m2

    Dla 0.9 straty z emisji podczerwieni wynoszą:

    555 * 0.9 = 500 W/m2

    Czyli odbieramy moc:

    720 - 500 = 220 W/m2

    Dla kolektora z absorberem selektywnym 0.1:

    555 * 0.1 = 56 W/m2

    720 - 56 = 664 W/m2

    Czyli będzie on tylko 3x bardziej wydajny od bardzo słabego kolektora ze wsp. emisji 0.9. Te obliczenia wyraźnie pokazują, że im gorszy kolektor tym bardziej należy unikać pracy w wysokiej temperaturze!
  • Poziom 42  
    gaz4 napisał:
    Podam przykładowe obliczenia emisji kolektora. Najważniejszy wzór to:

    P=(T/64.5)^4

    Jeżeli kalkulator nie może podnosić do czwartej potęgi można to przekształcić tak:

    P=((T/64.5)^2)^2, czyli dzielimy temperaturę w Kelwinach przez 64.5 i dwa razy podnosimy do kwadratu.

    Po przekształceniu temperatura jaką uzyska ciało doskonale czarne gdy emituje daną moc oblicza się tak:

    T=(P^(1/4))*64.5


    Wszystko fajnie, jak mówił Shrek, ale:
    Prawo Stefana-Boltzmanna wygląda tak:
    Φ=σT^4 po przekształceniu (nie wiem czy ułatwiającym obliczenia???) mamy:
    (T/64,8)^4
    Tak policzył mi kalkulator łindowsowy. Jednak to jest drobiazg.

    Jeżeli jednak liczysz emisję absorbera to musisz uwzględnić to iż może on emitować z DWÓCH stron. Emisja każdej ze stron będzie pewnie inna, bo różne mogą być pokrycia powierzchni absorbera.
    Emisja spodniej strony "idzie w izolację".
    Cytat:
    Te obliczenia wyraźnie pokazują, że im gorszy kolektor tym bardziej należy unikać pracy w wysokiej temperaturze!

    To nie jest żadne odkrycie. Wystarczy obejrzeć wykresy strat/efektywności "fabrycznych" kolektorów. Z reguły nie jest brana pod uwagę temperatura absorbera tylko różnica temp. płynu (a przez to i absorbera) i temp. otoczenia.
    Wynika to z tego nie całe emitowane ciepło "wraca do słońca". Spora część energii zostaje "złapana" w skrzynce i różnymi drogami dociera jednak do płynu i jest zabierana z kolektora. Straty, te bardziej "odległe od czarnej dziury opisanej przez saskia", czyli konwekcja i przewodzenie zależą właśnie od różnicy temperatur.
  • Poziom 32  
    Wzory biorę z książki "Energia sloneczna w służbie człowieka" Brian J. Brinkworth. Polecam ją każdemu kto interesuje się energetyka odnawialną. Co prawda jest trochę stara, ale ciągle jara.

    Jeżeli chodzi o obliczenia, to wyraźnie zaznaczyłem uproszczenia jakie przyjąłem. Jednym z nich jest to, że kolektor absorbuje i emituje całą powierzchnią. Jak to w życiu bywa czasami trudno je przenieść na rzeczywiste konstrukcje, tu można sobie wyobrazić rurowy ze zwierciadłami. W przypadku kolektorów płaskich wypolerowanie tylnej strony absorbera + folia aluminiowa redukują emisję z tyłu prawie do zera. Tak samo w założeniach napisałem, że szkło jest całkowicie przezroczyste dla wszelkiego promieniowania, czyli nic nie może zostać "złapane". Podobnie ze stratami ciepła na przewodzeniu, aby nie komplikować obliczeń przyjąlem nieskończoną rezystancję termiczną. W takim wypadku kolektor traci tylko i wyłącznie poprzez promieniowanie podczerwone króre poza niewielką cześcią wyłapaną przez gazy cieplarniane w atmosferze idzie prosto w kosmos.

    Straty na przewodzeniu ciepła zależą tylko od różnicy temperatur i to jest podstawą mojego pomysłu na ich zmierzenie i obliczenie strat na emisji podczerwieni. Dopiero tak kompleksowe dane pozwolą na znalezienie miejsc gdzie można najbardziej poprawić efektywność kolektora. Bez tej wiedzy można długo pracować nad poprawą izolcji kolektora który traci np. 2 W/m2*K co przy nawet 100 stopniowej róznicy temp. daje zaledwie 200 W/m2. Kolektor w którym szyba obniża emisję podczerwieni o połowę w 60 stopniach straci w podczerwieni 320 W/m2, a w 40-tu 250 W/m2.
  • Poziom 32  
    Aby poprawić osiągi kolektora należy wiedzieć jakie są jego straty. Ponieważ straty na podczerwieni zależą tylko i wyłacznie od temperatury bezwzględnej, a straty ciepła od róznicy temp. jest prosta metoda ich pomiaru. Do tego potrzebne są:

    1) Termometr mierzący temperaturę absorbera
    2) Termometr mierzacy temperature powietrza w okolicy koelktora, w
    ostateczności ogolnie temp. na zewnątrz
    3) Pomiar mocy promieniowania słonecznego padającego na kolektor

    Z tym ostatnim jest największy problem, ale da się tanio zrobić. Prąd jaki fotowoltaika oddaje w punkcie mocy maksymalnej zależy prawie liniowo od mocy promieniowania. Przy czym nominalnie max jest osiągane przy mocy 1000 W/m2. A to oznacza, że dla PV 3.6V/3.6W, 6V/6W albo 12V/12W moc promienowania będzie zbliżona do prądu w miliamperach (max prąd w w/w przypadkach wynosi 1 A czyli 1000 mA). Można użyć innej fotowoltaiki, ale wtedy trzeba przeliczyć zmierzony prąd na moc. Dlatego najlepiej wybierać moc 2x mniejszą lub większą od napięcia, np. 3.6V/7.2W lub 12V/6W. Napięcie w punkcie mocy maksymalnej oznacza, że U*I daje najwyższą wartość. Trzeba tak ustawić cały system pomiarowy aby jak najbardziej zbliżyć się do tego napięcia i było ono jak najbardziej stabilne. W przypadku małych mocy najlepsze jest podłączenie diody zenera, np. 6V/6W do baterii 6V/6W. Ponieważ zenery dużej mocy są dosyć drogie i niezbyt popularne bardzo dobrze w ramach zamiennika sprawdzą się zwykle diody prostownicze. Wystarczy połączyć szeregowo ok. 10 szt by uzyskać dość stabilne 6V, a pojedyńcza dioda może mieć moc 1W.

    Ponieważ już mam 80W PV ładujące akumulator zrobiłem inaczej. Zamiast mierzyć prąd postanowiłem mierzyć spadek napięcia na włączonym w szereg rezystorze. Prąd w punkcie mocy maksymalnej wynosi 4.65A, a więc napięcie w mV odpowiadające promieniowaniu słonecznemu w W/m2 da opornik 1/4.65=0.215 ~0.22ohm/5W. Ważne jest aby fotowoltaika była ustawiona rownolegle do płaszczyzny kolektora, nie padał na nią cień oraz była czysta. Nawet niewielkie punktowe zabrudzenie może bardzo mocno zniekształcić pomiary.

    Zasada jest bardzo prosta. Należy wynkonać dwa pomiary mocy promieniowania gdy kolektor jest rozgrzany do takiej samej temperatury (bez odbioru ciepła). Najlepiej gdy jest ona jak największa, na granicy możliwości kolektora. Ważne też aby była ona jak najbardziej stabilna. Oba pomiary powinny zostać wykonane gdy temperatura otoczenia mocno się różni, im więcej tym lepiej. W czasie pomiarów nie powinien wiać zbyt silny wiatr. Następnie oblicza się różicę mocy przy niższj i wyższej temperaturze otoczenia i dzieli ją przez deltaT. W ten sposób mamy straty ciepła, cała reszta to ucieczka podczerwieni. Przykładowo mam dwa pomiary, przy 800 W/m2 i -10 stopniach kolektor rozgrzał się do 70 stopni. Tę samą temp. uzyskał przy promieniowaniu 700 W/m2 i temperaturze otoczenia +10 stopni. Obliczenia wyglądają tak:

    Przyjmując współczynnik absorpcji = 0.9 i 100% przenikanie promieniowania słonecznego przez szybę absorber wchłonął 800*0.9=720W/m2 oraz 700*0.9=630W. Różnica wynosi 90W/m2, dT=20 stopni a więc przewodnictwo cieplne kolektora wynosi:

    90/20=4.5W/m2*K

    Straty ciepła przy zaabsorbowaniu 630W/m2 (temp na zewnątrz +10 stopni) wynoszą:

    (70-10)*4.5=270W/m2

    Przy temperaturze +10 stopni absorber pochłonął 630 W/m2 więc straty na podczerwieni wynosiły:

    630-270=360W/m2

    W temperaturze 70 stopni (343K) promieniowanie ciała doskonale czarnego wynosi 800W/m2. Czyli współczynnik emisji 1 m2 kolektora (liczonego jako całość, z drugą stroną włącznie):

    360/800=0.45

    Takie dane pozwalają na szybkie obliczenie czy dana moderniazacja przyniesie zamierzone efekty. Np. jeżeli po przyklejeniu z tyłu kolektora folii aluminowej wsp. emisji spadnie do 0.4, to oznacza wzrost mocy jaką można odebrać w 70 stopniach o 0.05*800=40W/m2. Niby niewiele, ale po przemnożeniu przez np. 4 m2 kolektora i ilość godzin gdy kolektor pracuje wychodzą okrągłe kWh. Zachęcam do pomiarów i dzielenia się wynikami, może dzięki temu uda się nam znaleźć idealną szybę i powłokę absorbera.
  • Poziom 38  
    Aby zwiekszyc wydajnosc kolektora trzeba, zwiekszyc jego absorbcje czesci widna tzw. cieplego i ograniczyc jego emisje w tym samym zakresie widma.
    W praktyce robia to odpowiednie kolory odpowiednich warstw farb produkowanych z barwnikow (materialow) o takiej, lub zblizonej absorbcji, czy emisji.
    Jako przyklad, mozna uzyc wlasciwego koloru, ale jesli material pigmentu tegoz koloru nie odpowiada wymaganiom np. absorbcji, to sam kolor np. czarny nie bedzie dobrym absorberem. Koniec, kropka.
    Na tym wlasnie polega dzialanie powlok selektywnych i na takiej samej zasadzie dziala dobor powlok zatrzymujacych emisje.
    Swiat, w swietle slonca jest kolorowy, a nie czarno-bialy, wiec nie robcie skrotow, ograniczajac zakres absorbcji i emisji do czerni i bieli.
    Slyszal ktos z was o tzw. uzupelnianiu sie kolorow? Wlasnie to zjawisko powinno miec szerokie zastosowanie w budowie i malowaniu solarow.
    Na dokladnie takiej samej zasadzie dzialaja tzw. "diody termiczne", ktore przepuszczaja cieplo tylko w jednym kierunku. Maja one glowne zastosowanie w izolacjach termicznych, ale mozna to wykozystac w kazdej dziedzinie.
    Az mi sie nie chce wierzyc ze podstawowa wiedza jest tak ignorowana, dajac niebotyczne dochody tym ktorzy ja wykozystuja :-(
  • Poziom 1  
    Kolektor słoneczny w oknie
    Zwracam się z prośbą o radę. Mam dom weekendowy, który używam przez cały rok. Dom jest ocieplony z zewnątrz 10 cm styropianem. Ocieplenie to w okresie letnim uniemożliwia wykorzystanie ciepła zewnętrznego. W czasie naszej nieobecności okna są szczelnie zamknięte a szyby przesłonięte odbijającymi światło, jasnymi roletami (wewnętrznymi/materiałowymi). Powrót do takiego domu jest przyjemny tylko w czasie znacznych upałów.
    Temperatura, w nieogrzewanym domu, nigdy jeszcze nie przekroczyła 20 stopni, nawet przy ciągłych 7 dniowych upałach (>27 stopni w dzień) i doskonałej ekspozycji słonecznej. Fakt, że elewacja jest biała, a ściany w trójkątach dachowych dodatkowo pokryte są elewacją z deski modrzewiowej 2 cm. Także noce w górach są chłodne, nie występuję efekt cieplarniany (jak w miastach) oraz częściej i silnie wieją wiatry.
    W powyższych warunkach chciałbym, co zabrzmi absurdalnie, docieplić energią słoneczną pomieszczenia w okresie, w którym nie używa się ogrzewania gazowego.
    Sposób używania domu pozwala mi na wykorzystanie południowych okien jako kolektorów słonecznych. Ponieważ nie przebywam w domu w sposób ciągły akceptuję umieszczenie w oknach od strony mieszkania elementu grzejnego absorbującego energię słoneczną (niekoniecznie estetycznego), który byłby łatwy do demontażu i na czas eksploatacji pomieszczenia wynoszony byłby do pomieszczeń gospodarczych.
    Myślę o powieszeniu, w południowych oknach na parterze domu, elementów o wymiarach 1x1,5 z blachy aluminiowej - pomalowanych na czarno matową farbą, z nadzieją że takie "kaloryfery", oddadzą do wnętrza prawie całą zaabsorbowaną energię, co przełoży się na poprawę komfortu cieplnego w lecie oraz zmniejszenie zużycia gazu w sezonie grzewczym.

    Ponieważ widzę, że wypowiadający się na stronie użytkownicy posiadają dużą wiedzę i doświadczenie w budowie kolektorów słonecznych proszę o podpowiedź jak optymalnie rozwiązać zadanie.
    Mam następujące pytania:
    1. Czy urządzenie musi być pomalowane na czarno z obu stron ?
    2. Do jakiego stopnia warto zwiększyć powierzchnię blachy (pofałdowanie lub zgięcie w harmonijkę) przy zachowaniu tych samych rozmiarów (1x1,5 m), aby zwiększyć moc grzewczą urządzenia ?- kolektor powinien ważyć tyle, ile może go unieść samodzielnie kobieta.
    3. Jaka powinna być grubość blachy , aby zapewnić elementowi odpowiednią sztywność (samonośną) i maksymalną sprawność cieplną urządzenia?
    4. Czy warto w celu poprawienia sprawności urządzenia:
    • dospawać/przymocować od strony mieszkania dodatkowe aluminiowe elementy (listwy), które posłużą jako radiatory ?
    • zainstalować wentylatorek (z komputera, może nawet na energię słoneczną), uruchamiany wzrostem temperatury/nasłonecznieniem elementu, poprawiającym oddawanie ciepła do otoczenia ?
    5. Ile może kosztować zrealizowanie takiego zamierzenia? - mam 3 okna po 1,5m2 i jedno 0,7m2
    6. Ostatnie pytanie - może dla uzyskania wystarczającego efektu wystarczyłoby kupić standardowe, listewkowe, wewnętrzne żaluzje aluminiowe i pomalować je czarną matową farbą?
  • Poziom 32  
    Przypuszczam, że post trafił nie do tego wątku. Ale co tam, odpowiem jak wygląda teoria:

    1. Ponieważ ten okienny kolektor z definicji ma grzać z drugiej strony, to ta powinna być czarna - zwiększy to emisję poromieniowania podczerwonego.
    2. Zwiększenie powierzchni absorbera niczego nie zmieni, bo i tak pochłonie on promieniowanie słoneczne z powierzchni równej przeszkleniu okna. Jednak zwiększy to emisję promieniowania, więc efekt będzie taki jak montaż radiatora.
    3. Sprawność kolektorów powietrznych nie zależy od grubości blachy, ale od jej powierzchni.
    4. Im intensywniej będzie odbierane ciepło tym wyższą sprawność osiągnie kolektor. A więc wentylator jest jak najbardziej wskazany.
    5. Koszt takiego kolektora to dosłownie grosze
    6. Tak, żaluzje też mogą być kolektorem powietrznym.

    Ale jest podstawowe pytanie: ile promieniowania słonecznego zostaje odbite z wnętrza na zewnątrz? Jeżeli w oknie sa białe i gęste firanki, a samo wnętrze jasne, to sporo. Jeżeli jednak okno jest przesłonięte ciemną roletą lub żaluzją, a wewnątrz też przeważają ciemne barwy to bardzo mało. W tym wypadku nawet idealny kolektor w oknie niewiele zmieni - kluczowa jest ilość promieniowania słonecznego jakie do niego trafi. I tu jest odpowiedź na pytanie czy opłaca się montowac w oknie kolektor - nie. Najprostsze metody często sa najskuteczniejsze, wystarczy w oknach zamontować zwykłe rolety lub żaluzje o ciemnych barwach, a ew. firanki dać ZA nimi. Na oko uzyskają one 80% sprawności idealnego kolektora zamontowanego w oknach (przy założeniu, że będzie dobra wymiana powietrza wokół nich).
  • Poziom 21  
    Witam wszystkich . bardzo lubię majsterkować przy OZE. Popełniłem najpierw sobie małą elektrownię wodną. Śmieszne 250 W dawała...ale całą dobę. Bilans był zadawalająco dobry. Jednak w Polsce cokolwiek i komukolwiek przeszkadza. Musiałem zdjąć i żadne tłumaczenie że nie jest to obiekt stały nie pomogło. Obecnie kończę mój wiatraczek. Wyniki są obiecujące.
    Teraz zbieram materiały do zrobienia kolektora słonecznego ( na razie teoretyczne). Podchodzę do tematu nieco odmiennie. Absorberem nie będzie żadna blacha, rurki czy inne ustrojstwa, ale ma być nim sam glikol. Ma to wyglądać mniej więcej tak, że glikol ma przepływac pomiędzy dwoma szybami. Od spodu ocieplenie z wełny min 10 cm grubości. Od strony słońca trzecia szyba. Glikol wpływa miedzy szyby króćcem miedzianym. Podobnie wypływa. Całość w ramie.
    Pytanie dotyczy zabarwienia glikolu. Czym to zrobić by absorpcja była jak największa. Pytanie dodatkowe, czy lepiej zatopić w glikolu blachę od dolnej strony, czy lepiej pomalować dolną szybę. Jeśli malować, to czym, żeby glikol nie rozpuszczał warstwy pomalowanej. Blacha utrudni przepływ glikolu. Farba może nie być trwała (szkło się źle maluje).
    Co sądzicie o tak wykonanym panelu? Ma on szanse działać? Moim zdaniem grzanie bezpośrednio glikolu może przynieść lepsze rezultaty niż grzanie blachy i transport ciepła do płynu. Pytanie jak to praktycznie zastosować.
    pozdrawiam
  • Poziom 38  
    Jesli zabarwisz odpowiednim pigmentem ten glikol to nie musisz dawac zadnego absorbera na dolna szybe. Sam zabarwiony glikol bedzie absorberem.
  • Poziom 21  
    saskia dziękuję za zainteresowanie. Będę starał się żeby grubość warstwy glikolu była jak najmniejsza. Myślę o 10 mm. Będzie trudno dostać pigment taki by pochłonął w całości promieniowanie. Pigment nie może osadzać się w panelu, ani w wymienniku. To sa pewne niewiadome dla mnie. Najprościej to pewnie czarny tusz lub atrament....ale nie jestem pewien tego rozwiązania. Instalacja oczywiście niskociśnieniowa. Prawdopodobnie z otwartym zbiornikiem wyrównawczym. Masz jakieś typy co do pigmentu?
  • Specjalista - kolektory słoneczne
    saskia napisał:
    Aby zwiekszyc wydajnosc kolektora trzeba, zwiekszyc jego absorbcje czesci widna tzw. cieplego i ograniczyc jego emisje w tym samym zakresie widma.
    W praktyce robia to odpowiednie kolory odpowiednich warstw farb produkowanych z barwnikow (materialow) o takiej, lub zblizonej absorbcji, czy emisji.
    Jako przyklad, mozna uzyc wlasciwego koloru, ale jesli material pigmentu tegoz koloru nie odpowiada wymaganiom np. absorbcji, to sam kolor np. czarny nie bedzie dobrym absorberem. Koniec, kropka.

    No, nie do końca się z Tobą zgodzę, p słowach "w praktyce..."
    Przede wszystkim za wydajność kolektora głównie odpowiada materiał z jakiego jest wykonana warstwa absorpcyjna. To też jeszcze zależy w jakich warunkach będzie wykorzystywany kolektor. Bo jeżeli ji tylko do ogrzania wody w basenie to wystarczy jako warstwa absorpcyjna czarna farba. Ale jeżeli ma to być kolektor do ogrzewania wody w przeciągu całego roku to farbą (kolorem) nie załatwimy wszystkiego. W praktyce to pochodną różnych materiałów o kolorach zbliżonych do czarnego, bo ten tylko jest w stanie pochłonąć (przetworzyć na ciepło ). Zwróć uwagę, że najniższą emisję mają metale , im bardziej wypolerowany metal, tym mniejsza emisja. Tak jest tez dokładnie z czarnym chromem. A że czarny to jest on pasynkowany na czarno. Ale dalej jest to metal w czystej postaci.
    Swego czasy dostałem próbkę bluteca a znajomy dał ja na spektroskop. I jakież nasze zdziwienie, ze zamiast tlenków tytanu najwięcej było cyny.
    Czyli: "kolor" załatwi absorpcje a materiał (metal) emisje
  • Poziom 38  
    To, do czego i jak bedzie wykozystany absorber nie zmienia faktu ze w kazdym liczy sie jak najwieksza absorbcja, ktora mozna uzyskac stosujac odpowiedni material, tak samego absorbera, jak i warstwy absorbujacej.
    W swojej wypowiedzi na poczatku jakby pominales fakt ze pigment to tez material i wiele z nich to zwiazki metali, co potwierdziles w ostatnim zdaniu. :-)

    Ja osobiscie uwazam ze mozna zrobic odpowiedni podklad na absorberze, aby skierowac emisje i absorbcje w jednym kierunku. Jak wczesniej wspominalem cos na wzor diody termicznej.
    Jak masz warunki to proponowal bym zrobienie malutkiego eksperymentalnego solarka, w ktorym umiescisz rozne absorbery i w roznej konfiguracji z roznymi warstwami absorbujacymi. W srodku np. 10 plytek, 10x10cm i pod kazda termometry wyskalowane identycznie.
    Przy naslonecznieniu bedzie wyraznie widac szybkosc nagrzewania i uzyskane temperatury, a takze szybkosc stygniecia. Zapisujac roznice wystepujace w kazdym zestawieniu, dosc szybko znajdziesz najlepsze materialy i kolory (pigmenty).
    Musze tu podkreslic ze pigmenty, to nie to samo co farby z nich zrobione i nie mozna sie sugerowac ze farba jakiegos tam koloru jest zlym absorberem i tym blednym zalozeniem eliminowac dany kolor (pigment).
    Obecnie niewielu ludzi na swiecie maluje samymi pigmentami (najnowszy trend w malarstwie) i wiem z doswiadczenia ze nie jest latwo zastapic; oleje, wypelniacze, itp. skladniki farb, czyms, co da to samo do czego one sa uzyte w farbach, ale nie zmieniajac koloru, odcienia i wlasciwosci pigmentu.
    Pisales o spodziewanym tytanie w wynikach badania spektrum powloki, a tytan (tlenek) to bialy pigment i najgorszy absorber, zazwyczaj jest wypelniaczem w wielu kolorach farb. :-)
  • Specjalista - kolektory słoneczne
    saskia napisał:
    To, do czego i jak bedzie wykozystany absorber nie zmienia faktu ze w kazdym liczy sie jak najwieksza absorbcja, ktora mozna uzyskac stosujac odpowiedni material, tak samego absorbera, jak i warstwy absorbujacej.

    Teraz wiadomo o czym dyskutować.
    Dla mnie liczy się nie największa absorpcja bo ta łatwo wykonać a emisja bo tą trudno uzyskać o jak najmniejszej wartości. I tu znów nie zgadzam się z pierwszym cytowanym zdaniem.
    Jeżeli do basenu albo do szybkiego podgrzania wody o niewiele, to znaczenie ma tylko absorpcja, bo w tej sytuacji różnica Tm-Ta będzie nie wielka a więc i do emisji poprzez absorber nie dojdzie. Ale to przypadek specyficzny a wiec najczęstszym przypadkiem jest ten gdzie Tm-Ta jest duże a więc i emisja tez jest duża.
  • Poziom 38  
    Ale mimo wszystko, tak jak pisalem wieksza absorbcja to wiecej uzysku, a zablokowanie emisji w jednym kierunku to praktycznie to samo co zwiekszenie absorbcji i nie chodzi mi tu o straty na emisji, tyko o zwiekszenie absorbcji.
    Moze innaczej, eliminujac emisje w kierunku przeciwnym do absorbcji, zwiekszasz przeplyw ciepla od absorbera (szybszy przeplyw ciepla), co daje wieksze mozliwosci absorbcyjne. Jeden dodatek, a ma dwie funkcje i mozna by to nazwac absorber turbo. :-) :-) W elektryce to byla by podobna roznica, jaka jest miedzy uzyciem pojedynczej diody, a uzyciem mostka Gretza.
    To tak jak zwiekszenie przeplywu, i nizszych temperaturach, zwieksza sie ilosc odebranego ciepla. :-)
  • Specjalista - kolektory słoneczne
    saskia napisał:
    Ale mimo wszystko, tak jak pisalem wieksza absorbcja to wiecej uzysku, a zablokowanie emisji w jednym kierunku to praktycznie to samo co zwiekszenie absorbcji i nie chodzi mi tu o straty na emisji, tyko o zwiekszenie absorbcji.
    Tak, tylko byle czarną farbą załatwisz absorpcje na poziomie 0,95 ale tą samą farbą nie załatwisz emisji na poziomie 0.1. Więcej uzysku będzie gdy emisja jest blisko jedności i równocześnie emisja jest bliska zeru, nie da się absorpcji i emisji rozpatrywać osobno, chyba, że w szczególnych przypadkach o których pisałem.
  • Poziom 38  
    Widze ze piszemy o tym samym ale uzywamy innego slownictwa i metod wyjasniania. :-)

    Wlasnosci absorbcyjne absorbera i jego emisja ciepla w kierunku odbioru to jedno, a
    wlasnosci absorbcyjne warstwy absorbcyjnej (pigmentu) i jego emisji przeciwnej kierunkowo do absorbcji, to druga sprawa.
    A mi chodzi o ukierunkowanie wszelkich emisji i absorbcji w ta sama strone, wszystkie.
    Innaczej, to co wejdzie w jedna warstwe moze byc wyemitowane tylko w jednym kierunku, czyli kolejnej warstwy i nie moze sie cofnac.
    Powstaje wtedy jakby " zasysanie ciepla" w jedna strone i oddawanie go po przeciwnej. :-)
  • Poziom 32  
    Mapek, jeżeli dobrze pamiętam kolektor z bezbośrednią absorpcję był przedstawiony w jednym starym "Młodym Techniku". Co ciekawe był to kolektor "rurowy", bo zrobiony ze starych świetlówek. Ale moim zdaniem to strata czasu, zmniejszenie rezystancji termicznej między absorberem a rurami jest duzo łatwiejsze niż wykonanie dobrego bezpośredniego absorbera. Jeżeli już kombinować z bezpośrednim przepływem, to tylko między dwiema blachami, górna poczerniona, a dolna wypolerowana na lustro.

    Niedawno udalo mi się wykonać kolejne pomiary, mam więc komplet danych do obliczenia parametrów kolektora. Na początek dane pomiarowe:

    5 luty 2013, bezchmurnie, wiatr poniżej 5 m/s, moc zaokraglona ze względu na trudności ze złapaniem dokladnej wartości. Kolektor szybko nagrzewał się powyżej 90 stopni (pomiar ok. 14-tej czyli 2h przed zachodem Słońca), co dla poliwęglanu komorowego nie jest zbyt zdrowe. Z tego powodu odczyt promieniowania słonecznego może nie być zbyt dokładny:

    Tkol=87 (360K) Tzew=1 (274K) DT=86K P=495 W/m2, Pe(360K)=970 W/m2

    Bardzo dokładne pomiary wykonałem wczesniej, 21 stycznia 2013r. Było wtedy bezchmurnie, wiatr ok. 4 m/s, a kolektor osiągnął maksymalną temp 87 stopni i przez pewien czas ją utrzymywał:

    Tkol=87 (360K) Tzew= -8 (265K) DT=95K P=530 W/m2, Pe(360K)=970 W/m2

    Przyjmuję, że współczynnik absorpcji (razem ze stratami na szybie) wynosi 0.9.

    Przewodność cieplna to różnica mocy dwu pomiarów podzielona przez różnicę temperatur: (530-495)/(274-265)=3.9W/m2*K

    Wynik jest bardzo zbliżony do wczesniejszych obliczeń na podstawie danych producentów materiałów uzytych do budowy kolektora.

    Straty ciepła kolektora dnia 21 stycznia wynosiły: 3.9*95=370W/m2

    Ucieczka podczerwieni tego dnia wynosiła: (0.9*530)-370=107W/m2

    Czyli współczynnik emisji wynosi: 107/970=0.11

    Weryfikacja obliczeń dla dnia 5-go lutego wygląda tak:

    ((970*0.11)+(3.9*86))/0.9=491.22W/m2 - czyli same obliczenia sa poprawne, chociaż pomiary to zupelnie inna sprawa. Z tego powodu poczekałem na całkowite zachmurzenie i 9-tego lutego uzyskalem następujące dane:

    Tkol=15 (288K) Tzew=4 (277K) DT=11K P=130 W/m2, Pe=397 W/m2

    Czyli moc promieniowania słonecznego obliczona w/g powyżej wyliczonych danych wynosi:

    ((397*0.11)+(3.9*11))/0.9=96 W/m2

    Na fotowoltaice umieszczonej pod kątem 60 stopni zmierzyłem ok. 130 W/m2. Ponieważ promieniowanie było rozproszone ten kąt powoduje stratę względem płaszczyzny poziomej o ok 33%, czyli uwzględniając ją mamy 96/0.66=145W/m2 na powierzchnię poziomą. W wojewodztwie jest kilka stacji WIOŚ, ale pech chce, że do każdej mam daleko. Znajduje się prawie dokładnie między tymi: Gołdap - 43W/m2, Mragowo - 86W/m2, Elbląg - 216 W/m2. Jak widać rozrzut bardzo duży, ale i tak "strzelają" w okolicy tego co zmierzyłem i obliczyłem. Nie należy zapominać o tym, że im większe zachmurzenie tym mocniejsze promnieniowanie podczerwone padające na kolektor z atmosfery (podobno może docho9dzić do 200W/m2). Jednak uznaję, że kolektor (nie absorber) ma współczynnik emisji zbliżony do 0.11, co moim zdaniem może być związane z:

    1) Współczynnikiem emisji absorbera
    2) Słabym przenikaniem lub mocnym odbijaniem podczerwieni przez poliwęglan komorowy
    3) Przechwytywaniem podczerwieni przez gazy w kolektorze, głównie parę wodną

    Gdyby każdy w/w był odpowiedzialny tylko za 50% przechwyconej podczerwieni, to uzyskałbym wsp. emisji kolektora w okolicy 0.1-0.2, warto to sprawdzić. Ale więcej w watku o budowie kolektorów. Po raz kolejny zachęcam do pomiarów, pomoże to nam w znalezieniu najlepszych elementów do budowy.
  • Poziom 32  
    Wymyśliłem metodę obliczenia współczynnika emisji nie wymagającą pomiaru mocy promieniowania. Niestety, wymaga ona idealnych warunków atmosferycznych, dzisiaj takich nie miałem. Jednak na podstawie zebranych danych mogę przedstawić jak wczesniejsze obliczenia przekładają się na ciepło oddawane do bojlera. Między 11-tą a 12-tą woda nagrzała się z 23 do 26 stopni. Bojler ma 150 l pojemności, więc odpowiada to energii (26-23)*150*1.2=540Wh. W tej chwili mam ok. 3.5 m2 absorbera, jednak część jest zasłonięta, więc efektywna powierzchnia wynosi ok. 3 m2. Czyli w ciągu godziny z 1 m2 zebrałem 540/3=180Wh ciepła, a więc do bojlera oddawałem moc 180W/m2. W tych godzinach kolektor pracował z temp. 40-44 stopni, co po przeliczeniu daje średnią moc promieniowania dla ciała doskonale czarnego ok. 580 W/m2. Na zewnątrz było ok. 6 stopni, czyli średnia DT=42-6=36K. A zatem moc odbierana i tracona z kolektora wygląda następująco:

    Do bojlera trafiło 180 W/m2
    Ucieczka podczerwieni w/g poprzednio wyliczonego współczynnika emisji wynosi 580*0.11=64 W/m2
    Straty ciepła na izolacji to 36*3.9=140 W/m2

    Razem moc odbierana i tracona wynosi 180+64+140=384W

    Do tego należaloby doliczyć ciepło tracone na rurach, ale nie mam pojęcia ile może wynosić, więc nie będę strzelał. W/g stacji pomiarowych moc promieniowania słonecznego między 11 a 12 wynosila: Mragowo - 399 W/m2, Goldap - 294, Elbląg - 431. Niestety, dzisiaj pomiar nie był mi potrzebny, więc go nie wykonałem. Z innych pomiarów wnioskuję, że na kolektor ustawiony pod kątem 60 stopni padało ok. 600 W/m2. Różnica między w/w obliczeniami wynosi ok. 220W/m2. Zakładając, że pomyliłem się w poprzednich pomiarach i współczynnik emisji i wynosi ok. 0.3 otrzymam straty podczerwieni w okolicy 180 W/m2, czyli razem: 180+180+140=500 W/m2, przy 0.4 będzie to 560 W/m2. Więcej raczej nie było, gdyż nie uwzględniłem strat na rurach. A więc na razie mogę przyjąć, że współczynnik emisji kształtuje się na poziomie 0.1-0.4.

    Przy okazji widać negatywny wpływ zbyt słabego odbioru ciepła z powodu małej ilości rur. Ponieważ obecny kolektor mi wystarcza zrezygnowałem z dodania brakującej rury, a obecnych jest min. 2x za mało. Różnica temp. woda-kolektor wynosi ok. 20 stopni, a optymalnie nie powinna przekraczać 15 stopni. Te kilka stopni przekłada się na straty ciepła w okolicy 20W/m2, a na podczerwieni (0.1 do 0.4)*40=4 do 16 W/m2. Czyli na 3 m2 w ciągu godziny straciłem z tego powodu nawet (20+(4 do 16)*3=72 do 108 Wh! Inaczej mówiąc nawet 20% ciepła jakie technicznie jeszcze można było odebrać poszła...
  • Specjalista - kolektory słoneczne
    gaz4 napisał:


    Czyli współczynnik emisji wynosi: 107/970=0.11

    .

    Przy jakiej temp. absorbera i dla jakiego pokrycia?
    Czym, lub jak liczysz moc promieniowania słonecznego
  • Poziom 32  
    Współczynnik 0.11 dotyczy obliczeń dokonanych dla 87 stopni. Absorber wykonany z barwionego aluminium, a całość przykryta poliwęglanem komorowym. Moc promieniowania słonecznego mierzę przy pomocy rezystora wpiętego w szereg z fotowoltaiką jak opisałem wyżej. Pomiar zweryfikowałem na innej PV mierząc jej moc. Jednak aby były bardzo dokładne musiałbym skorygować je o współczynnik temperaturowy, a nie mam mozliwości pomiaru temperatury PV. Ostatnio wpadłem na pomysł jak obliczyć współczynnik emisji opierając się tylko i wyłącznie na pomiarach temperatur pracującego kolektora, a te można wykonać z dużą dokładnością.

    Metoda opiera się tym, że w słoneczny dzień 1 h przed południem na kolektor pada takie samo promieniowanie jak 1 h po południu. Czyli Ps1=Ps2 co oznacza, że suma mocy oddawanej/traconej przez kolektor przed południem jest równa sumie po południu. Ponieważ pracujący kolektor powoli się nagrzewa oddając energię do wody mamy do dyspozycji zmienne które można łatwo zmierzyć. Niestety, konieczna jest idealna pogoda, a sam kolektor musi min 0.5h stabilnie pracować, zarówno przed, jak i po pomiarach. Gdyby zdarzyło się tak, że temperatura kolektora wzrosła o tyle samo stopni co temp. otoczenia wystarczy obliczyć jedynie energię oddaną przez kolektor do bojlera oraz moc promieniowania dla ciała doskonale czarnego rozgrzanego do temp. absorbera. Pozostałe straty będą identyczne, a więc się wyzerują. Wzór do obliczeń wyprowadziłem tak:

    (Pe1*we)+Pk1=(Pe2*we)+Pk2, we(Pe1-Pe2)=Pk2-Pk1, we=Pk2-Pk1/Pe1-Pe2 gdzie:

    Pk1, Pk2 - użyteczna moc kolektora obliczona na bazie ciepła oddanego do bojlera
    Pe1, Pe2 - średnia emisja podczerwieni
    we - współczynnik emisji

    Aby obliczenia były poprawne należy dokładnie ustalić godzinę gdy na kolektor pada maksymalna moc. Najprościej wykonać to przy pomocy jakiegoś wkrętu lub kołka wbitego prostopadle gdzieś w rogu kolektora. Gdy jego cień jest najkrótszy to oznacza, że właśnie wtedy osiąga maksimum mocy. Najdokładniejsze pomiary są wtedy, gdy kolektor jest ustawiony na południe, im większa odchyłka tym większy błąd pomiarowy. Można to ustalić mierząc cień godzinę przed i po maksimum mocy, powinien mieć taką samą długość. Jeżeli tak nie jest warto skrócić czas pomiaru do np. 0.5 h i pomnożyć energię oddaną do bojlera przez 2. A tak wyglądają dane z 18-go lutego (godzina: temp. kolektora, temp. bojlera, temp. zewnetrzna, emisja podczerwieni, różnica temp. kolektor-otoczenie):

    11.00: 45.5 (318.7K), 27.5, 4, Pe=596W/m2, DT=41.5K
    12.00: 50.7 (323.9K), 30.2, 5.5, Pe=636W/m2, DT=45.2K
    13.00: 53.6 (326.8K), 32.6, 7, Pe=659W/m2, DT=46.6K

    Obliczenia na bazie w/w pomiarów wyglądają nastepująco. Najpierw obliczam średnią moc promieniowania podczerwonego oraz moc oddawaną przez kolektor o powierzchni aktywnej 3 m2 do 150 l bojlera:

    Pe1=(596+636)/2=616W/m2
    Pe2=(636+659)/2=647.5W/m2
    Pk1=(30.2-27.5)*150*1.2=486Wh/3m2=162W/m2
    Pk2=(32.6-30.2)*150*1.2=432Wh/3m2=144W/m2

    Niestety, temperatura kolektora rosła szybciej niż na zewnątrz, więc należy zrobić korektę mocy kolektora. Dodatkową moc traconą na ucieczce ciepła dodam do mocy oddanej do bojlera, bo to znacznie uprości obliczenia.

    Pk2=((((46.6+45.2)/2)-(45.2+41.5)/2)*3.9)+144=154W/m2

    Obliczenie emisji w/g powyższego wzoru:

    we=(154-162)/(616-647.5)=0.254

    Na podstawie w/w danych można obliczyć moc promieniowania słonecznego w poszczególnych godzinach by zweryfikowac powyższe obliczenia:

    ((596*0.254)+(41.5*3.9)+162)/0.9=528 W/m2
    ((636*0.254)+(45.2*3.9)+((162+144)/2))/0.9=545 W/m2
    ((659*0.254)+(46.6*3.9)+144)/0.9=547 W/m2

    Chociaż do obliczeń nie używałem mocy promieniowania słonecznego wyniki są zbliżone do pomiarów i danych WIOŚ. Niestety nie sa symetryczne, a powinny być. Są różne powody, np. nie mam możliwości dokładnego pomiaru temperatury zewnętrznej, użyłem średniej mocy w ciągu godziny obliczonej na bazie energii itp. Weryfikując nie dodałem strat na rurach, a obliczanie energii użytecznej na podstawie temperatury bojlera powoduje kumulowanie się błędów. Jednak mimo wszystko ta metoda jest jedną z lepszych, bo wymaga minimalnej ilości danych wejściowych które na dodatek łatwo uzyskać. Zachęcam do pomiarów i obliczeń tym bardziej, że wystarczą dane które i tak każdy ma pod ręką.
  • Specjalista - kolektory słoneczne
    gaz4 napisał:
    Współczynnik 0.11 dotyczy obliczeń dokonanych dla 87 stopni. Absorber wykonany z barwionego aluminium,

    Czyli Twoje barwione aluminium ma tyle samo co czarny chrom. Czy aby na pewno?
    Jak dobrze rozumiem to starasz się wyznaczyć emisję warstwy absorpcyjnej na pracującym kolektorze?
  • Poziom 32  
    Nie do końca tak jest, ja nie wyznaczam emisji warstwy absorpcyjnej ale całego kolektora. Po prostu inaczej się nie da, bo kolektor tworzy jednolitą całość i dla uzyskania we absorbera musiałbym odjąć inne czynniki. Oprócz emisji absorbera z przodu, jest także emisja z tyłu (tę chyba zredukowałem do zera), odbijanie podczerwieni przez poliwęglan czy wpływ pary wodnej która bardzo dobrze pochłania podczerwień w widmie emitowanym przez kolektor. Każdy z tych czynników może mieć niewielki wpływ, ale w sumie dadzą bardzo dobry efekt.

    Np. przyjmę dla uproszczenia, że absorber ma we=0.5, czyli ucieka z niego 50% podczerwieni. Jeżeli para wodna przechwyci kolejne 50%, to do szyby dotrze zaledwie 25%. Gdyby ta z kolei też przechwytywała/odbijała 50% to z kolektora ucieknie zaledwie 12.5%, czyli we całości wyniosłoby 0.12. Podczas pomiarów zauważyłem, że kolektor nie pracuje liniowo. Wydaje mi się, że w wysokich temp. współczynnik emisji jest znacznie niższy niż w niskich. Do tego już od dłuższego czasu widzę, że gdy jest duża wilgotność to kolektor działa wydajniej niż w suchym powietrzu. Co prawda nie udalo mi się tego jeszcze potwierdzić, ale podejrzewam, że za tę nieliniowość odpowiada para wodna.

    Bachus, jeżeli masz taką możliwość to zrób pomiary jakiegoś kolektora o znanych parametrach i policz w/g podanych wzorów. Najbardziej interesowałaby mnie weryfikacja dwu powyższych metod:

    - obliczanie przewodnictwa cieplnego i współczynnika emisji przy pomocy kolektora rozgrzanego do maksimum i mocy promieniowania słonecznego. Mając dokladne dane nt. mocy promieniowania słonecznego pomiary można wykonać przy pełnym zachmurzeniu by bez potrzeby nie przegrzewać kolektora. Ja to robiłem na max, gdyż wtedy ew. błędy pomiarowe nie wpływają tak mocno na wynik obliczeń.
    - Ostatnio opisaną metoda przy pomocy pomiarów mocy promieniowania podczerwonego oraz energii oddanej do bojlera przed i po południu. Chociaż metoda i przekształcenie wzoru wydają mi się prawidłowe ciągle odoszę wrażenie, że gdzieś tkwi błąd. Mając punkt odniesienia w postaci w/w i możliwość weryfikacji można wyłapać ew. błedy metodologii. A mając dokładne dane nt. naszych kolektorów można łatwo ustalić jakie czynniki mogą podnieść wydajność amatorskich konstrukcji.