Rozdzial 6, !!!Schematy CO, Slonce Instalacje ogrzewania Opis
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Rozdział 6 Ogrzewanie wody z wykorzystaniem energii
słonecznej
Poza pasmem widzialnym promieniowanie słoneczne obejmuje równieŇ dłuŇsze fale, których
energia moŇe byę pochłaniana przez gazy oraz substancje płynne i stałe, a nastħpnie
przekształcana w energiħ cieplnĢ. Przykłady to atmosfera ziemska, która absorbuje ciepło od
przechodzĢcego przez niĢ promieniowania słonecznego, oraz powierzchnia ziemi. Równowaga
miħdzy zjawiskami absorbcji i odbicia umoŇliwia istnienie Ňycia na naszej planecie. W
instalacjach ogrzewania słonecznego selektywne materiały absorbujĢce sĢ wykorzystywane do
pochłaniania
promieni
podczerwonych
i
ogrzewania
wody,
czyli
płynu
„słonecznego”
przepływajĢcego przez system przewodów.
Ekosystemy ziemskie przystosowały siħ do wĢskiego zakresu temperatur. Zmienna iloĻę ciepła i
Ļwiatła słonecznego zagroziłaby organizmom Ňywym; ziemia byłaby zbyt gorĢca lub zbyt zimna.
6.1
Układ Słoneczny
Rycina 6.1: Układ Słoneczny
Nasz układ słoneczny składa siħ z oĻmiu planet i innych małych obiektów, na przykład
planetoidów, komet, meteoroidów i pyłu kosmicznego. Pierwsze cztery planety (Merkury, Wenus,
Ziemia i Mars) sĢ stosunkowo niewielkie i składem przypominajĢ ziemiħ (skały). Pozostałe cztery
(Jowisz, Saturn, Uran i Neptun) to znacznie wiħksze planety gazowe.
Wszystkie obiekty w naszym układzie słonecznym krĢŇĢ wokół Słoıca. Jego energia słoneczna
maleje proporcjonalnie do kwadratu odległoĻci. Ziemia znajduje siħ w takiej odległoĻci od Słoıca,
przy której Ļwiatło i ciepło słoneczne umoŇliwiajĢ funkcjonowanie ekosystemów w biosferze.
Najwiħkszym niebezpieczeıstwem zwiĢzanym z emisjĢ gazów cieplarnianych jest gwałtowna
zmiana równowagi promieniowania słonecznego, która uniemoŇliwi ekosystemom adaptacjħ do
nowych warunków.
Niemal wszystkie formy Ňycia na Ziemi, w tym wszystkie roĻliny i zwierzħta, sĢ uzaleŇnione od
słonecznego ciepła i Ļwiatła. Słoıce wytwarza energiħ od miliardów lat. Energia słoneczna to
promieniowanie słoneczne, które dociera do ziemi. MoŇe ona byę przekształcana bezpoĻrednio
lub poĻrednio w inne postacie energii, na przykład ciepło lub prĢd elektryczny.
6.2 Sło
ı
ce
Słoıce jest gwiazdĢ Ļredniej wielkoĻci, o Ļrednicy ok. 1,4 mln km, tworzonĢ przez gazy - głównie
wodór. Rdzeı Słoıca jest bardzo gorĢcy (ok. 15 mln stopni Celsjusza), zatem panuje w nim
ogromne ciĻnienie gazów, ok. 100 mld razy wyŇsze od ciĻnienia atmosferycznego na Ziemi.
Dlatego atomy wodoru znajdujĢ siħ tak blisko siebie, Ňe łĢczĢ siħ ze sobĢ tworzĢc hel i generujĢc
Ļwiatło oraz ciepło (rycina 6.2).
1
Rycina 6.2: Powstawanie helu i
Ļ
wiatła
DuŇa czħĻę emitowanej przez Słoıce energii rozprasza siħ w przestrzeni kosmicznej, a jedynie
niewielki jej procent dociera do Ziemi; wystarczy to jednak do podtrzymania Ňycia na naszej
planecie.
6.3 Ziemia
Ziemia (rycina 6.3) jest najwiħkszĢ z czterech planet ziemskich i leŇy 150 mln km od Słoıca. Co
365 dni wykonuje wokół niego jedno pełne okrĢŇenie. OĻ ziemska jest odchylona od płaszczyzny
obrotu Ziemi. Jest to powodem wystħpowania okresu letniego, gdy oĻ nachylona jest w kierunku
Słoıca, a zimowego, gdy jest od niego odchylona. Obrót Ziemi wokół własnej osi powoduje
nastħpstwo dnia i nocy.
RóŇne pory roku, dzieı i noc wywołujĢ zróŇnicowanie
iloĻci dostħpnego ciepła oraz Ļwiatła, przez co
bezpoĻrednie wykorzystanie tych Ņródeł do
wytworzenia energii nie jest łatwe. Energia ta moŇe
jednak byę magazynowana na róŇne sposoby -
bezpo
Ļ
rednio
w postaci ciepła w gruncie, jeziorach i
rzekach, dostarczajĢc Ņródła ciepła dla pomp
cieplnych, bĢdŅ
po
Ļ
rednio
, poprzez przekształcenie
Ļwiatła w biomasħ (np. przez roĻliny w procesie
fotosyntezy), która jest spalana w celu produkcji
ciepła lub pary do napħdzania urzĢdzeı
wytwarzajĢcych energiħ. Pozostałe czħĻci tego
rozdziału omawiajĢ bezpoĻrednie ogrzewanie wody z
wykorzystaniem kolektora słonecznej energii
cieplnej, opisujĢ zasady jego działania oraz metody
zastosowania.
Rycina 6.3: Ziemia
6.4 Promieniowanie słoneczne
Słoıce emituje promieniowanie
elektromagnetyczne, którego istotnym
komponentem jest Ļwiatło widzialne. Fale od
niego dłuŇsze tworzĢ podczerwonĢ czħĻę
pasma. Ta czħĻę promieniowania ma
zdolnoĻę ogrzewania oĻrodka, przez który jest
pochłaniana, np. atmosfery ziemskiej. IloĻę
promieniowania zaleŇy od połoŇenia Słoıca:
im jest ono niŇej, tym wiħcej energii pochłania
atmosfera. Powoduje to obserwowane róŇnice
temperatury w ciĢgu dnia, miħdzy latem a
zimĢ oraz miħdzy północnĢ a południowĢ
czħĻciĢ kaŇdego paıstwa. Roczne Ļrednie
promieniowanie
słoneczne
w
Polsce
przedstawiono na rycinie 6.4.
W słonecznym dniu promieniowanie pada
bezpoĻrednio na ziemiħ. Jednak w razie
zachmurzenia dociera go mniej, poniewaŇ jest rozpraszane przez krople wody w chmurach.
Typowe wartoĻci pokazano na rycinie 6.5
Rycina 6.4: Roczne
Ļ
rednie promieniowane słoneczne dla Polski
2
Rycina 6.5: Typowe warto
Ļ
ci promieniowania słonecznego
W lecie promieniowanie słoneczne wystarcza zwykle na pokrycie niemal całego zapotrzebowania
na ciepłĢ wodħ. ZimĢ z kolei udział wody podgrzewanej energiĢ słoıca jest znacznie mniejszy. W
Wielkiej Brytanii promieniowanie słoneczne pokrywa ok. 50-60% zapotrzebowania na ciepłĢ
wodħ.
Typowe, czteroosobowe gospodarstwo domowe zuŇywa ok. 3000 kWh energii na podgrzanie
wody. Odpowiada to ok. 20% rocznego zuŇycia gospodarstw. Na skutek dziennego i sezonowego
zróŇnicowania iloĻci Ļwiatła, słoneczne systemy ogrzewania wody pokrywajĢ tylko około połowy
domowego zapotrzebowania na ciepłĢ wodħ w Europie ĺrodkowej, nieco mniej w Europie
Północnej i około dwie trzecie w Europie Południowej.
6.5 Cieczowe kolektory słoneczne
Działanie wszystkich kolektorów opiera siħ na zdolnoĻci pochłaniania promieniowania
podczerwonego i przekazywania jego ciepła do wody krĢŇĢcej w rurach. NajczħĻciej stosuje siħ
kolektor płaski. Składa siħ on z prostokĢtnej skrzynki o długoĻci zwykle 1-2 m i szerokoĻci 800-
1000 mm. Przez skrzynkħ przechodzĢ przewody, przymocowane do czarnej powierzchni
absorbera. Przepływa przez nie woda, ogrzewajĢc siħ przez pochłanianie promieniowania
podczerwonego.
Na rycinie 6.6 przedstawiono wħdrówkħ
Ļwiatła słonecznego przez kolektor. ĺwiatło
przechodzi przez szklanĢ powierzchniħ do
absorbera. WiħkszoĻę promieniowania jest
pochłaniana; Ļwiatło odbite jest kierowane
ponownie do Ļrodka przez powłokħ odbijajĢcĢ
ciepło.
Ļwiatło
słoneczne
Jest wiele modeli kolektorów płaskich, zwykle
jednak wszystkie składajĢ siħ z: płaskiego
absorbera, który wykrywa i pochłania energiħ
słonecznĢ, przezroczystych pokryw, które
przepuszczajĢ promieniowanie słoneczne, ale
ograniczajĢ straty ciepła na absorberze; płynu
- noĻnika ciepła, przemieszczajĢcego siħ w
rurach i odbierajĢcego ciepło z absorbera;
oraz podkładki z izolacjĢ cieplnĢ.
powierzchnia
szklana
przewód
powłoka
odbijajĢca
powierzchnia
absorbera
Rycina 6.6: Droga
Ļ
wiatła słonecznego
3
Instalacja
Kolektor najlepiej załoŇyę po stronie południowej. Optymalnym kĢtem nachylenia jest szerokoĻę
geograficzna plus 15 stopni (rycina 6.7). Nie stanowi to przeszkód w przypadku dachu
poziomego. JeĻli dach jest nachylony, kolektor na ogół zakładany jest równolegle do jego
powierzchni, bĢdŅ teŇ wbudowywany w dach (w nowszym budownictwie). JeĻli istnieje moŇliwoĻę
ustawienia kĢta nachylenia kolektora, najlepsze jest nachylenie 30º latem, a 70º zimĢ, poniewaŇ
zimĢ słoıce znajduje siħ niŇej.
kolektor
kolektor
kĢt
nachylenia
kĢt
nachylenia
dach
płaski
dach pochyły
Rycina 6.7: Kolektory oraz k
Ģ
ty ich nachylenia
Mniej powszechny typ wodnego kolektora słonecznego
wykorzystuje dwie koncentryczne rury (patrz rycina
6.8). ZewnħtrznĢ wypełnia próŇnia i znajduje siħ w niej
półkoliste srebrne lustro, które skupia Ļwiatło na nie
padajĢce i kieruje je na rurħ absorbera, zawierajĢcĢ
tzw. płyn „słoneczny” (płyn roboczy).
Rycina 6.8: Rura kolektora pró
Ň
niowego
4
WydajnoĻę kolektora zaleŇy od róŇnicy temperatur oraz intensywnoĻci promieniowania
słonecznego w ciĢgu roku. Im wiħksza róŇnica miħdzy temperaturĢ na wejĻciu i na wyjĻciu
(miejscu oddawania ciepła), oraz im niŇsze promieniowanie, tym gorsza wydajnoĻę (rycina 6.9).
Rycina 6.9: Zmiana wydajno
Ļ
ci na skutek ró
Ň
nic temperatury
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]