Szukaj na tym blogu

poniedziałek, 27 kwietnia 2009

Optymalne ustawienie kolektora

Dość często spotykam się z opiniami, że w polskich warunkach geograficznych optymalnym ustawieniem kolektora jest popołudniowa ekspozycja pod kątem 20-35 stopni. Wielu instalatorów nawet nie bardzo zastanawia się nad tym zagadnieniem wychodząc za założenia, że, jeżeli tylko dach skierowany jest na południe to na pewno wszystko jest w porządku.

Na wstępie należałoby się zastanowić czy w ogóle istnieje coś takiego jak optymalne, całoroczne ustawienie kolektora?

Celem instalowania kolektora słonecznego na południowej stronie dachu jest zwiększenie ilości docierającej do niego energii w stosunku do energii padającej na powierzchnię horyzontalną.

W działaniu tym chodzi, aby stosunek:

Energii padającej na kolektor do energii padającej na powierzchnię horyzontalną (nie pochyłą) był większy od 1 – ten stosunek nazwijmy współczynnikiem f

Czyli wsp f = energia padająca na kolektor / energia padająca na teren płaski


Pytanie, jakie się rodzi to

Przy jakim pochyleniu kolektora wsp f będzie największy?
Czy współczynnik f będzie zmieniał się w kolejnych miesiącach?

Poniższe grafiki przedstawiają wykres współczynnika f w poszczególnych miesiącach przy nachyleniu kolektora słonecznego 30, 60, 90 stopni dla szerokości geograficznej 52 stopnie. w ostatnim rzędzie tabeli przeliczona jest energia docierająca do pochylonego kolektora - dane z programu kolektorek








wykresy dotyczą jedynie promieniowania bezpośredniego
Z wykresów widać, że zmieniają pochylenie kolektora możemy znacznie zwiększyć lub zmniejszyć ilość energii padającej na kolektor zwłaszcza w okresie zimowym. Jest to dość oczywiste. Z drugiej strony dla wielu może być zaskoczeniem, że w każdym przypadku pochylenie kolektora spowodowało zmniejszenie ilości energii w miesiącach letnich. Im kolektor był bardziej pochylany tym energia do niego docierająca była mniejsza. Ten fakt wśród wielu budzi wątpliwości, lecz wynika z natury pozornej wędrówki słońca po niebie.


Grafika przedstawiająca wędrówkę słońca po nieboskłonie w lecie oraz zimnie.



Choć każdemu wydaje się, że słońce wstaje na wschodzie i zachodzi na zachodzie nie jest to do końca prawdą. Jedynie dwa razy w roku możemy obserwować wschód słońca dokładnie na wschodzi i zachód na zachodzie. W pozostałych dniach mamy do czynienia ze wschodem słońca od północnego wschodu aż po południowy wschód. To samo dotyczy zachodu.
W lecie słońce wschodzi daleko na północnym wschodzie nieba a zachodzi na północnym zachodzie.

Z grafiki widać, że w LECIE kolektor skierowany na południe pod kątem 30 stopni nie będzie oświetlany przez dużą cześć dnia (od żółtego słoneczka do czerwonej kropki i od czerwonej kropki do czerwonego słoneczka). Oznacza to że w lecie praktycznie każde pochylenie kolektora nie spowoduje zwiększenia docierającej do niego energii gdyż, zysk z bardziej prostopadłego oświetlenia niwelowany jest krótszym czasem oświetlenia.

Natomiast okresie zimowym słońce wstaje i zachodzi po południowej stronie nieba. Wynika z tego, że w tym okresie każde pochylenie kolektora będzie powodować zwiększenie docierającej do niego energii. W zimie maksymalną ilość energii uzyskamy przy ustawieniu kolektora 90 stopni - wysokość górowania słońca.


Po tej dłuższej, ale niezbędnej dygresji możemy powrócić do pytania na temat optymalnego ustawiania kolektora które powinno wynikać głownie z przeznaczenia instalacji.

1 - Jeżeli nasze kolektory mają podgrzewać ciepłą wodę, basen tylko w sezonie letnim najlepiej ustawić je w przedziale 0-30 nic nie zyskujemy, ale nic też nie tracimy.

2 - Jeżeli instalacja solarna przewidziana jest na całoroczne podgrzewanie CWU optymalnym ustawieniem jest zakres kątów 55-65. Zyskujemy znacznie zwiększenie ilości energii docierającej do kolektora w zimnie, sporo więcej mamy w okresie wiosna, jesień. W lecie następuje nieznaczny spadek energii docierającej do kolektora, który bez problemu jest kompensowany, znacznie większym nasłonecznieniem w tym okresie.

3 - Jeżeli instalacja oprócz CWU ma także wspomagać centralne ogrzewanie jedynym sensownym ustawianiem jest pochylenie kolektorów w zakresie kątów 80-90

- zyskujemy znaczne zwiększenie energii w zimnie, (kiedy jej najbardziej potrzebujemy)
- zyskujemy znaczną redukcję energii w lecie (z uwagi, że instalacja jest w takim przypadku znacznie przewymiarowana na potrzeby samego CWU jest to zjawisko korzystne)
proszę zauważyć że przy takim ustawieniu ilość energii docierającej do kolektora przez cały rok jest praktycznie stała.

Z powyższego przykładu widać, że warto poświęcić trochę czasu na przeanalizowanie wydawać by się mogło tak banalnej rzeczy jak ustawianie kolektora. Można na tym zyskać sporo darmowej słonecznej energii.

Pozdrawiam

6 komentarzy:

2Jarek pisze...

Nie lepiej zrobić stalową ramkę z kątownika na kolektory i po prostu 2-3x w roku zmienić kąt pochylając je odrobinę ? Jeśli różnice są tak duże kilkadziesiąt złotych na materiał i drugie tyle dla ślusarza szybko się zwróci.

Bogdan Szymański pisze...

oczywiście tak jeżeli jest to technicznie możliwe.
Dlatego też skłaniam się za montowaniem kolektorów na ścianie zamiast na dachu
- łatwiejszy dostęp
- łatwiejsza konserwacja

gawka pisze...

Z prawdziwą przyjemnością przeczytałem Twój wywód nt optymalizacji pochylenia względem normalnej kolektora płaskiego zorientowanego na południe. Wypunktowałeś ogólnie kryteria celowe (cw, cw sezonowa, co+cw), co stanowi podstawową typologię użytkową w zakresie funkcji celu. Ograniczenia są banalne - nie znaczy, że prostackie - mechanika nieba. Zaniedbałeś promieniowanie rozproszone nieboskłonu, sygnalizując jednak składową, lecz z tym się chwilowo zgadzam. Poważniejszym aspektem są względy lokalizacyjne. Analizowany obiekt leży w konkretnym terenie, na którym występują przeszkody (cień z otaczających obiektów), które w pewnej geometrii ruchu słońca ograniczają promieniowanie bezpośrednie. Wydaje się, że na ten aspekt warto też zwrócić uwagę praktykom, bowiem kilka prostych symulacji numerycznych pokazuje, jak fundamentalne znaczenie ma nie tylko orientacja kolektora, lecz także jego lokalizacja na tej samej połaci dachu/elewacji!
Myślę, że warto przeprowadzić analizę różnych funkcji celu i ograniczeń. Zważywszy, że kolektory cieplne są już powszechną praktyką, nie będzie to czystą igraszką umysłu a może mieć przeniesienie na konkretne efekty finansowe.
Całkiem na marginesie ...
W kapitalizmie funkcja celu jest łatwo wyrażalna w kategoriach ekonomicznych, jednak trudniej ją precyzyjnie sformułować. Myślę, że zdrowym modelem jest idea domu (osiedla) autonomicznego, do którego technologicznie nieuchronnie zbliżamy się.

Bogdan Szymański pisze...

@ Gawka
Mama świadomość że poruszyłem tylko pewien aspekt optymalnego ustawiania kolektora a sprawa wymaga z pewnością głębszej już nie blogowej analizy. Chciałem zwrócić uwagę na problem notorycznie pomijany przy doborze instalacji słonecznych.

Promieniowanie rozproszone zaniedbałem celowo aby nie zafałszować rzeczywistego wpływu ustawiania kolektora na zysk energetyczny.

Promieniowanie rozproszone ma w zimie duży udział (ponad 50%) jako składowa lecz przekłada się to na niewielki zysk energetyczny. Konwersja promieniowania rozproszonego jest nieporównywalnie mniejsza niż bezpośredniego.

gawka pisze...

Inżynierski punkt widzenia skłania do praktycznego ustalania kryteriów optymalizacji.
Przyjmując, że odbiorcą energii pochodzącą z absorpcji promieniowania słonecznego, jest obiekt mieszkalny, przeznaczony do użytku całorocznego, celem będzie takie rozwiązanie techniczne, które dostarczać ma energię możliwie równomiernie w ciągu całego roku, czyli poszukujemy minimum [f(Amax-Amin)], gdzie A = nasłonecznienie * wsp f.
To założenie upraszczające, bo klasyczna krzywa zapotrzebowania na energię jest z reguły odwrotna do jej podaży z promieniowania słonecznego. Oczywiście uwzględniając konieczność klimatyzacji w upały, większe zużycie ciepłej wody na potrzeby higieniczne, uzyskuje się całkiem inną krzywą zapotrzebowania.
Bacząc na radykalny wpływ zacienienia receptora energii promienistej, co ma często miejsce przy instalacji na istniejących obiektach, lub nowych, których projektanci nie brali pod uwagę możliwości pozyskiwanie energii promieniowania słonecznego i nieboskłonu (zwane zwykle promieniowaniem rozproszonym), powstaje pytanie, czy kolektory promieniowania słonecznego związywać z bryłą obiektu budowlanego, czy też postawić specjalną konstrukcję (maszt energetyczny), której lokalizacja będzie pozbawiona tych niedogodności. Analiza kilkudziesięciu istniejących obiektów w ich konkretnych lokalizacjach wykazała, że ekonomicznie uzasadnione jest takie właśnie rozwiązanie.
Maszt ów może być wykorzystany do instalacji generatorów wiatrowych, kolektorów cieplnych i baterii fotoelektrycznych. Konstrukcja stalowego masztu z odciągami jest tańsza niż instalacja na konstrukcji budynku! Tylko nieznacznie podnosi koszt maszt obrotowy, nadążający za położeniem słońca. Regulacja kąta pochylenia kolektorów w stosunku do osi masztu, to jest już radykalne podniesienie kosztu i skomplikowanie konstrukcji.
Może Bogdanie zaprezentujesz na blogu wyniki obliczeń optymalnego nachylenia płaszczyzny kolektora dla powyższych założeń [min (Amax-Amin)] z uwzględnieniem promieniowania rozproszonego. Oddzielnie dla masztu nieruchomego i obrotowego - nadążnego za słońcem. To może zainteresować praktyków i projektantów oraz zainspirować do racjonalniejszego projektowania takich instalacji.

Bogdan Szymański pisze...

@ Gawka
Taka analiza z pewnością byłaby Ciekawa. Pewnie jak będę miał chwilkę to ją przeprowadzę.

Z jeżeli chodzi o maszt obrotowy i śledzenie słońca to w przypadku kolektorów nie jest to dobre rozwiązanie. W przypadku śledzenia słońca największe zyski obserwujemy w lecie kiedy i tak niema co z tą energią robić(energia cieplna kolektorów).