SOLARNI KOLEKTOR ZA OGREVANJE SANITARNE VODE · Če želi Evropa doseči 50-odstoten delež pri...

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Aleks HEDL

SOLARNI KOLEKTOR ZA OGREVANJE

SANITARNE VODE

Diplomsko delo

visokošolskega strokovnega študijskega programa 1. stopnje

Strojništvo

Maribor, februar 2015

SOLARNI KOLEKTOR ZA OGREVANJE

SANITARNE VODE

Diplomsko delo

Študent(ka): Aleks HEDL

Študijski program: Visokošolski strokovni študijski program 1. stopnje

Strojništvo

Smer: Energetsko, procesno in okoljsko strojništvo

Mentor: red. prof. dr. Aleš HRIBERNIK

Somentor: asist. dr. Gorazd BOMBEK

Maribor, februar 2015

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

I


II

I Z J A V A

Podpisani Aleks Hedl izjavljam, da:

je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom red. prof.

dr. Aleša Hribernika in somentorstvom asist. dr. Gorazda Bombeka ;

predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru.

Maribor, 5.2.2015 Podpis: ___________________________


III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju red. prof. dr. Alešu

Hriberniku in somentorju asist. dr. Gorazdu Bombeku

za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij.


IV

SOLARNI KOLEKTOR ZA OGREVANJE SANITARNE VODE

Ključne besede: obnovljivi viri energije, izkoristek, kolektor, sončno obsevanje, temperatura

UDK: 621.383.51:696.48(043.2)

POVZETEK

Poglavitna tema diplomskega dela je izdelava solarnega kolektorja, izvedba meritev in na

koncu razlaga dobljenih rezultatov. V diplomskem delu so najprej opisane teoretične osnove,

predvsem ploščatih solarnih kolektorjev oz. sistemov s ploščatimi solarnimi kolektorji. V

nadaljevanju je opisano načrtovanje in izdelava kolektorja glede na izbrane materiale. Ko je

bil kolektor narejen, smo postavili merilno progo in nato izvedli meritve. Vse tri meritve smo

podrobno opisali in jih grafično prikazali. Dobljene rezultate smo med seboj primerjali in jih

tudi razložili. Na koncu diplomskega dela poskušamo ugotoviti, ali je izdelava in uporaba

takšnega kolektorja smiselna.


V

SOLAR COLLECTOR FOR WATER HEATING

Key words: renewable energy sources, efficiency, collector, solar radiation, temperature

UDK: 621.383.51:696.48(043.2)

ABSTRACT

The main theme of this thesis is constructing a solar collector, performing measurements and

finally interpreting the collected data. Theoretical fundamentals are defined at the beginning

of the thesis, particularly flat plate collectors and systems with flat plate collectors. Next,

planning and construction of the collector is described according to chosen materials. When

the collector was made, a measurement strip was set up and the data was collected. The

measurements are analyzed in detail and graphically demonstrated. The collected data are

compared with one another and explained. In the last part of the thesis we try to find out if the

construction and usage of such a collector is effective.


VI

KAZALO VSEBINE

1 Uvod ............................................................................................................................... - 1 -

1.1. Opis splošnega področja diplomskega dela ............................................................ - 2 -

1.2. Opredelitev diplomskega dela ................................................................................ - 2 -

1.3. Struktura diplomskega dela .................................................................................... - 3 -

2 Obnovljivi viri energije (OVE) ...................................................................................... - 4 -

2.1. Sončna energija [2] ................................................................................................. - 5 -

2.1.1. Lastnosti sončnega sevanja [3] ........................................................................ - 5 -

2.1.2. Geometrijska razmerja med Zemljo in Soncem [1],........................................ - 6 -

3 Toplotni solarni sistemi (TSS) ..................................................................................... - 13 -

3.1. Srednje temperaturni solarni sistemi [6], [7] ........................................................ - 13 -

3.2. Solarni sistem s ploščatim oz. ravnim SSE ........................................................... - 15 -

3.2.1. Sprejemnik sončne energije – SSE (kolektor) [7] ......................................... - 16 -

3.2.2. Nosilec toplote oz. solarni ali delovni medij [5], [6] ..................................... - 17 -

3.2.3. Hranilnik toplote (HT) s prenosnikom toplote (PT) [6], [7] ......................... - 18 -

3.2.4. Obtočna črpalka [6], [7]................................................................................. - 20 -

3.2.5. Sistem cevi ter vključeni varnostni elementi [5] ........................................... - 20 -

3.2.6. Regulator sistema [7] ..................................................................................... - 21 -

3.3. Prenos toplote in učinkovitost SSE [6], [7] .......................................................... - 22 -

3.4. Izračun učinkovitosti SSE [6] ............................................................................... - 23 -

4 Načrtovanje, dimenzioniranje in izdelava prototipa .................................................... - 27 -

4.1. Opis sestavnih delov ................................................................................................. - 27 -

5 Izvedba merilne proge .................................................................................................. - 31 -

5.1. Omejitve meritev .................................................................................................. - 31 -

5.2. Merilna proga ........................................................................................................ - 31 -

5.2.1. Sistem za zajemanje podatkov ....................................................................... - 33 -

5.3. Priprave na meritve ............................................................................................... - 34 -


VII

6 Izvedba meritev ............................................................................................................ - 36 -

6.1. Prva opravljena meritev dne 18. 8. 2014 .............................................................. - 36 -

6.2. Druga opravljena meritev dne 8. 9. 2014 .............................................................. - 39 -

6.3. Tretja opravljena meritev dne 18. 9. 2014 ............................................................ - 41 -

7 Rezultati meritev .......................................................................................................... - 44 -

8 Diskusija ....................................................................................................................... - 49 -

8.1. Možnosti uporabe kolektorja ................................................................................ - 49 -

8.2. Izboljšanje naprave ............................................................................................... - 51 -

9 Zaključek ...................................................................................................................... - 52 -

Viri in literatura ................................................................................................................... - 53 -

Priloga 1: Odseki grafov iz slik za izračun izkoristka ......................................................... - 58 -

Priloga 2: Tehnične karakteristike pretokomera .................................................................. - 61 -


VIII

UPORABLJENI SIMBOLI

ψ – azimut sonca

α – višina sonca

ϕ – zenitni kot

δ – deklinacija

ηSSE – učinkovitost/izkoristek SSE

ηo – optična učinkovitost SSE

λ – toplotna prevodnost

cp – specifična toplota pri konstantnem tlaku

Gex – solarna konstanta

V – prostornina

– masni pretok

QSSE – toplotni tok/moč

β – naklonski kot SSE

Gdir – direktno sončno sevanje

Gdif – difuzno sončno sevanje

Gglob – globalno sončno sevanje

Iglob,β – povprečno urno obsevanje na poljubno ploskev

T – temperatura

T* – nadtemperatura sprejemnika

r – polmer cevi

l – dolžina

ρok – odbojnost oz. albedo okolice

ASSE – površina zasteklitve SSE


IX

UPORABLJENE KRATICE IN TUJKE

OVE – obnovljivi viri energije

TSS – toplotni solarni sistem

SSE – sprejemnik sončne energije

HT – hranilnik toplote

PT – prenosnik toplote

IR – infrardeče sevanje

UV – ultravijolično sevanje

PR – pretokomer

TB – terminalni blok

NI – National Instruments

T1, T2, T3, T4 – termoelementi 1, 2, 3 in 4


- 1 -

1 Uvod

Dandanes je eden največjih problemov človeštva zagotovitev zadostne količine energije iz

obnovljivih virov (OVE), ki bi nadomestili fosilne oz. neobnovljive vire energije (plin, nafta,

premog). Ti bi naj bili, po mnenju mnogih znanstvenikov, ki se ukvarjajo s tem področjem,

glavni krivec za onesnaževanje našega planeta s toplogrednimi plini. Zaradi teh plinov se

ozračje ogreva, saj povzročajo učinek tople grede. Dokazano je, da s povečevanjem deleža

CO2 narašča temperatura po vsem svetu. Večina energije je danes pridobljena ravno iz

fosilnih virov in glede na to, da se populacija ljudi povečuje in s tem tudi potreba po energiji,

bomo sčasoma, delno smo že sedaj, prisiljeni v uporabo OVE, ki imajo ničen ogljični odtis.

Tudi jedrska energija ne more nadomestiti fosilnih goriv, saj bo tudi urana v takšni obliki

sčasoma zmanjkalo, pa še iz ekološkega vidika so jedrske elektrarne sporne v primeru, da

pride do okvar, čemur smo tudi že bili priča. Ker razvoj zelenih tehnologij ne more dohajati

tako velikih potreb po energiji, je potrebna tudi varčnost oz. smotrna raba energije. Največ k

temu lahko pripomorejo razvite države, ki so najbolj potratne, pridružiti pa se jim morajo tudi

države v razvoju, saj tam prihaja do velikega porasta prebivalstva, ki bo z vse večjim

razvojem postalo energijsko zelo lačno. Posledično bi naj uporaba neobnovljivih virov

vplivala tudi na vse večje spremembe v okolju (naravne katastrofe, kot so suše, poplave,

orkani itd.), ki smo jim priča že danes. Obenem pa OVE povečujejo konkurenčnost

posameznih držav in vplivajo na razvoj tehnoloških in industrijskih inovacij. Država, ki ima

večji delež OVE, si s tem zagotovi tudi večjo energetsko preskrbljenost in ni več toliko

odvisna od morebitnega uvoza energije. Slej kot prej bo fosilnih goriv začelo primanjkovati,

posledično bodo rastle tudi cene. Kljub temu da so trenutno cene energije iz OVE večje kot pa

iz fosilnih goriv, se bodo zmanjšale z bolj učinkovitimi napravami in tehnološkim razvojem,

medtem ko bodo cene fosilnih goriv še naprej naraščale. Kljub temu da je vedno večji

poudarek na čim večjem deležu pridobljene energije iz OVE in obstajajo celo določeni

dogovori o odstotnih deležih OVE v prihodnjih letih, je razvoj v tej smeri prepočasen ali pa

ga sploh ni. Tudi Slovenija v tem smislu zaostaja za svojimi cilji oz. celo nazaduje (gradnja 6

bloka TE Šoštanj). Nesporno je, da so OVE ključnega pomena za trajnostno prihodnost sveta

in da bodo odigrali ključno vlogo pri ohranjanju našega planeta, kljub temu da ogrevanja ne

bomo mogli popolnoma ustaviti v tako kratkem časovnem obdobju.


- 2 -

1.1. Opis splošnega področja diplomskega dela

Kot strojnik energetik, te problematike enostavno ne morem spregledati, zato razmišljam v

smeri kako lahko sam pripomorem k ohranjanju našega okolja. Zaradi tega sem se tudi

odločil, da bomo za diplomsko nalogo izdelali solarni kolektor za ogrevanje sanitarne vode, ki

naj bo čim bolj učinkovit, iz materialov, ki so vsem na voljo, saj menim, da lahko vsak

posameznik vpliva na zmanjšanje onesnaževanja okolja z emisijami toplogrednih plinov. Tak

sistem bi lahko bil dodatek k že obstoječemu viru ogrevanja sanitarne vode, predvsem v

poletnih mesecih. Za delovanje je potrebno le sončno sevanje in električna energija, ki

zagotavlja pogon obtočne črpalke. Kljub dokaj nezapleteni izvedbi, je bila potrebna velika

mera iznajdljivosti in spretnosti, saj sem se sam prvič srečal s konkretno praktično izvedbo

takšnega sistema.

Sončna energija je neomejen vir energije, iz katerega izvira posredno ali neposredno

večina drugih virov energije na Zemlji. Znano je, da bi z eno uro sončnega sevanja, ki prispe

na celotno Zemljo, lahko pokrili potrebe po energiji za celo leto za ves svet. Tukaj se kaže

velik potencial izrabe sončne energije, ki je vsem na voljo, ovira je le cena in tehnologija

trenutnih obstoječih sistemov. V Sloveniji je stopnja izkoriščanja neposrednega sončnega

obsevanja relativno majhna, kljub dokaj ugodni legi in velikem številu sončnih dni.

Če želi Evropa doseči 50-odstoten delež pri oskrbi s toploto s toplotnimi solarnimi sistemi

(TSS), bo potrebno vgraditi 8 kvadratnih metrov sprejemnikov sončne energije (SSE) na

prebivalca Evropske unije.

1.2. Opredelitev diplomskega dela

Solarni kolektor za ogrevanje sanitarne vode (slika 1) je naprava, ki izkorišča sevanje sonca

za ogrevanje vode, ki jo po sistemu poganja črpalka. Naloga naprave je, da v čim večji meri s

pomočjo delovnega medija (v našem primeru voda) prenese prestreženo energijo sonca v

hranilnik toplote, kjer je potem na voljo uporabnikom. Hranilnik toplote shrani presežek

toplote, ki je trenutno ne potrebujemo, za poznejšo uporabo.


- 3 -

Slika 1: Skica sistema s solarnim kolektorjem za ogrevanje sanitarne vode

Diplomsko delo je poleg splošnega teoretičnega opisa zastavljeno kot mali projekt izdelave

kolektorja. Zamisli je sledila groba skica, ki je prešla v shemo kolektorja. Nato je sledil

natančen izris kolektorja, na podlagi katerega smo izdelali napravo in jo tudi preizkusili. Na

podlagi meritev smo lahko določili učinkovitost takšne naprave.

Naš namen je, da s pomočjo naprave povečamo uporabo obnovljivih virov energije in s

tem pripomoremo k razbremenitvi okolja. Upoštevati moramo tudi to, da smo za izdelavo

uporabili nekatere tako rekoč odpadne dele, kar tudi ni zanemarljivo z vidika varovanja

okolja.

1.3. Struktura diplomskega dela

Diplomsko delo je razdeljeno na dva dela:

Teoretični del, kjer so opisane različne izvedbe solarnih kolektorjev ter posamezni

sestavni deli ploščatega solarnega kolektorja za ogrevanje sanitarne vode. Opisana je

tudi problematika obnovljivih virov energije in vpliv sonca na delovanje solarnega

sistema.

Praktično izvedbeni del, kjer je opisana praktična izvedba solarnega kolektorja, opis

posameznih sestavnih delov ter izvedba meritev z opredelitvijo rezultatov. Zapisana je

tudi ugotovitev, ali je postavitev sistema s takšnim kolektorjem glede na dosežen

izkoristek racionalna in kje bi bila možna uporaba takšnega kolektorja.


- 4 -

2 Obnovljivi viri energije (OVE)

OVE so bili včasih edini vir energije, ki ga je človeštvo uporabljalo, v nerazvitih državah pa

še vedno predstavljajo velik del potrebne energije. Ironično je, da je ravno v nekaterih

nerazvitih deželah zelo velik potencial uporabe OVE, ljudje pa v teh deželah uporabljajo

večinoma le manjše enote naprav za izkoriščanje OVE, npr. za pripravo hrane ali pa

osvetljavo doma.

Glavni značilnosti OVE sta neomejena trajnost in velik potencial izrabe, prednost pa je

tudi enakomerna porazdelitev le–teh. Kot slabost OVE pa bi lahko šteli časovno

spremenljivost moči in energije virov (izjema sta biomasa in toplota oceanov), kar nam

onemogoča rabo energije takrat, ko bi jo potrebovali, zaradi česar smo prisiljeni v

shranjevanje energij v različnih napravah, kar pa znatno podraži učinkovito izkoriščanje

virov. S tem se zmanjša učinkovitost, za OVE je značilna tudi nizka gostota moči, zato

morajo biti naprave za izkoriščanje teh virov večje od naprav za izkoriščanje neobnovljivih

virov energije pri enaki imenski moči. Zaradi tega se stremi k čim večji učinkovitosti

tovrstnih naprav, predvsem za komercialne namene.

Obnovljiva energija izvira iz treh virov posredno ali neposredno. Največji prispevek

pripisujemo soncu, saj razen direktnega sevanja, ki ga lahko spremenimo v toplotno ali

električno energijo, vpliva na premikanje zračnih, mas kar povzroča veter, valovanje, kroženje

vode, oceanske tokove, rast biomase in še kaj bi lahko našteli. Med obnovljive vire štejemo še

plimovanje, na katerega vplivajo gravitacijske sile med Zemljo in Luno, ter geotermalno

energijo, ki izvira iz notranjosti Zemlje. Iz teh virov izhajajo mnoge možnosti njihove izrabe,

od proizvodnje elektrike, toplote in goriv.

Kljub tolikim možnostim izrabe OVE pa ti predstavljajo manjši del primarnih

energetskih virov predvsem v razvitem in razvijajočem se delu sveta, kot je tudi razvidno iz

slike 2. Vendar je razvoj naprav na tem področju zelo velik, posledično so naprave vedno bolj

učinkovite. V Sloveniji največji delež iz OVE prispevajo hidroelektrarne, medtem ko sta

deleža energije vetra in neposrednega sončnega obsevanja skromnejša, kljub ugodni legi,

vendar je to bolj odvisno od državne politike kot pa od stroke.


- 5 -

Slika 2: Prikaz primarne rabe energije v svetovnem merilu za leto 2010 [17]

2.1. Sončna energija [2]

Kot smo že omenili, bi lahko vso energijo, ki jo potrebuje človeštvo, pridobili iz sončnega

obsevanja, ob predpostavki, da bi bila tehnologija za odvzem energije dovolj učinkovita.

Sončno sevanje z različnimi napravami spremenimo v toplotno ali električno energijo. V tej

diplomski nalogi se bomo posvetili pretvarjanju sončne energije v toploto. Sončno sevanje je

kratkovalovno sevanje, ki ga lahko imenujemo tudi specifični sevalni tok Sonca, merimo pa

ga v W/m2.

Spekter sončnega sevanja (valovne dolžine med 0,3 in 100+ μm) delimo na tri področja, in

sicer:

infrardeče ali IR sevanje, katerega delež je 51 %,

ultravijolično ali UV sevanje, katerega delež je 9 %,

vidno svetlobo, katere delež pa je 40 %.

V inženirski praksi sončni spekter omejimo na valovne dolžine med 0,3 in 3 μm, saj v tem

območju prihaja na Zemljo večina sevanja.

2.1.1. Lastnosti sončnega sevanja [3]

Sonce lahko obravnavamo kot optično črno telo, saj je spektralna porazdelitev

zunajzemeljskega sevanja (vrh atmosfere) zelo podobna spektralni porazdelitvi sevanja črnega

telesa (slika 3). Za optično črno telo velja, da je idealno difuzno sevalo. Pri sončnem sevanju

ne smemo pozabiti omeniti tudi solarne konstante oz. jakosti sončnega sevanja ali gostote


- 6 -

sončnega sevanja, ki znaša približno Gex = 1367 W/m2. To je specifični sevalni tok na m

2

površine zunanjega roba atmosfere na ploskev, ki je pravokotna na smer sončnih žarkov.

Računsko solarno konstanto določimo s Stefan-Boltzmanovim zakonom. Najmočnejše

sevanje na Zemlji doseže 1000 W/m2.

Slika 3: Spekter sončnega sevanja [12]

Sevanje na površju Zemlje oz. zemeljsko sevanje se zmanjša zaradi vplivov atmosfere

(oblačnost, onesnaženost ozračja s plini, prašnimi delci itd.) in je odvisno od dolžine poti

sončnih žarkov skozi atmosfero, dolžina pa se spreminja zaradi gibanja Zemlje okoli Sonca.

To dolžino imenujemo relativna debelina atmosfere, upošteva pa tudi onesnaženost ozračja. Z

večanjem relativne debeline atmosfere se manjša moč sončnega sevanja na površju Zemlje.

Zaradi tega se spremenita jakost sevanja in tudi spektralna porazdelitev sevanja. Ker se

spreminja tudi kot sevanja med letom (posledica kroženja okoli Sonca), moč sevanja na

površini Zemlje ni konstantna, tudi med dnevom se spreminja bodisi zaradi vplivov ozračja

ali spreminjanja položaja Sonca (posledica kroženja okrog svoje osi) ali obojega. Osončenje

določene površine je pomemben meteorološki podatek za preračun solarnega sistema kakor

tudi za izračun potrebne moči za sistem ogrevanja.

2.1.2. Geometrijska razmerja med Zemljo in Soncem [1], [6], [3]

Ekvatorialna ravnina Zemlje ni vzporedna s sončnimi žarki (razen v jesenskem in pomladnem

enakosončju), temveč je nagnjena za določen kot, ki ga imenujemo odklonski kot ali

deklinacija δ. Zaradi kroženja Zemlje okoli Sonca se ta kot tako rekoč spreminja vsak dan, za

poljuben dan v letu ga lahko določimo z naslednjo enačbo:


- 7 -

(°) (1)

Kjer pomeni:

N – tekoče število dni

δ0 = 23,5°

Lego Sonca, katerega položaj se med dnevom spreminja, na nebu v poljubnem trenutku

določimo z višino in azimutom Sonca (slika 4). Azimut sonca ψ je kot med projekcijo

sončnega žarka na vodoravno ravnino in nebesno smerjo juga ter ustreza urnim spremembam

Sonca in se spremeni vsako uro za približno 15°. Opoldan je točno 0°. Po dogovoru je v

jutranjih urah do poldneva negativen. Izračunamo ga lahko po enačbi:

(°) (2)

Kjer pomeni:

sin ω – urni kot, po dogovoru je negativen v jutranjih urah, nič ob sončnem poldnevu in

pozitiven v popoldanskih urah.

Višina sonca α pa je kot med sončnimi žarki in horizontalno ravnino na opazovanem mestu.

Ob sončnem vzhodu in zahodu je enaka 0°, ob sončnem poldnevu pa je Sonce tega dne

najvišje na nebu. Višino sonca lahko določimo:

(°) (3)

Kjer pomeni:

sin ϕ – geografska širina poljubnega kraja (°)

Namesto višine Sonca lahko podamo zenitni kot ϕ, ki je enak:

(4)

Iz povezave teh dveh veličin (azimut, višina Sonca) lahko analitično določimo in izdelamo

letni diagram poti Sonca, iz katerega sta razvidna višina in azimut Sonca, za poljuben

trenutek v letu. Iz tega ugotovimo, da se vpadni kot sončnih žarkov na fiksno postavljen

solarni kolektor ves čas spreminja, zato vpadnega sevanja ne more prestreči v celoti.

Nepremične naprave, ki naj prestrezajo sončno sevanje skozi celo leto, zato usmerimo proti


- 8 -

jugu in nagnemo proti horizontali za kot, ki je enak zemljepisni širini. Če želimo prestrezati

žarke predvsem v poletnih mesecih, kar velja tudi za moj primer, ta kot zmanjšamo za 15° oz.

povečamo za 15°, kadar naj bo to predvsem pozimi.

Slika 4: Tipične relacije med Zemljo in Soncem [22]

Tako bi bil optimalni nagibni kot mojega solarnega kolektorja za 15° manjši od naše severne

zemljepisne širine, ki znaša 46,5° za Maribor. Nagib bi bil torej približno 30° z usmeritvijo

proti jugu.

Obstajajo pa tudi naprave za avtomatsko sledenje vpadnega kota, s katerimi je mogoče doseči

90° vpadne kote v večjem delu obratovanja, odvisno od mehanizma za sledenje vpadnemu

kotu. Mehanizem je lahko dvoosen, to pomeni, da soncu sledimo po višini in azimutu. Pri

enoosnem mehanizmu pa soncu sledimo ali po višini ali po azimutu. S pomočjo računalniških

orodij lahko izdelamo ekliptični diagram, ki prikazuje položaj Sonca za vse leto. Na vertikalni

osi je navedena višina sonca, na horizontalni pa azimut, kot je prikazano na sliki 5. Na ta

način lahko določimo tudi osenčenje določene površine v določenem času v letu, če so v

bližini morebitne ovire.

Slika 5: Primer ekliptičnega diagrama [13]


- 9 -

Obstaja bistvena razlika med sončnim sevanjem in obsevanjem. Sevanje pomeni specifično

moč, medtem ko časovni integral sevanja predstavlja energijo. Gostoto energije imenujemo

sončno obsevanje, ki ga merimo v Wh/m2 ali J/m

2. Zaradi različnega časa integracije (ura,

dan, mesec, leto) je to potrebno posebej navesti pri navajanju podatkov o obsevanju. V

inženirski praksi se glede obsevanja zanašamo na dolgoletne meteorološke podatke (slika 6),

trajanje sonca je osnovni meteorološki dolgoletni podatek, ni pa najbolj primeren za

inženirsko prakso. Zato so z uporabo statističnih metod poiskali korelacijo med trajanjem in

sončnim obsevanjem.

Slika 6: Globalno letno obsevanje na horizontalno površino v Sloveniji [13]

Sevanje, ki pride do zemeljske površine, je sestavljeno iz:

direktnega sevanja sončnih žarkov (Gdir),

difuznega (Gdif) ali razpršenega sevanja (difuzno sevanje neba, difuzno sevanje

obzorja, cirkumsolarno difuzno sevanje in odbito sevanje),

odbitega sevanja, ki se odbija od okolice in pada na opazovano površino (obstaja le,

kadar površina ni vodoravna).

Celotno sončno sevanje na površini Zemlje je tako sestavljeno iz difuznega, direktnega in

odbitega sevanja. To imenujemo globalno sončno sevanje (Gglob). Za postavitev solarnega

kolektorja zadošča, če poznamo globalno sončno sevanje. Pri določitvi obsevanja na

sprejemnike sončne energije položaj teh v prostoru opredelimo z njihovim naklonskim kotom

β in azimutom ψ. V našem primeru moramo poznati tudi povprečno urno obsevanje na


- 10 -

poljubno ploskev (Iglob,β), saj smo meritve opravljali v določenem dnevu ob določeni uri.

Enačba za izračun Iglob,β se glasi:

(Wh/m2h) (5)

kjer pomenijo:

– direktno urno obsevanje na vodoravno ploskev (Wh/m2h)

– razmernik direktnega obsevanja, ki ga določimo pri povprečnem vpadnem kotu i v

opazovani uri z izrazom:

(6)

Slika 7: Relacije med soncem in kolektorjem za izračun razmernikov [6]

– difuzno urno obsevanje na vodoravno ploskev (Wh/m2h)

– razmernik difuznega obsevanja, ki ga za izotropno nebo določimo z izrazom:

(7)

– globalno urno obsevanje na vodoravno ploskev (Wh/m2h)

– albedo ali odbojnost okolice (0 – 1)

– razmernik od okolice odbitega obsevanja, ki ga za izotropno okolico določimo z

izrazom:

(8)

Vsaka površina ima različno odbojnost oz. albedo okolice (preglednica 1). Albedo je 1 pri

popolni odbojnosti okolice oz. 0 pri popolni absorpciji sevanja. Upoštevati pa moramo tudi

morebitno zmanjšanje sončnega obsevanja zaradi ovir.


- 11 -

Preglednica 1: Albedo okolice za različne površine [6]

albedo okolice (1)

svež sneg 0,75–0,95

star sneg 0,4–0,7

pesek 0,3–0,4

beton 0,25–0,35

zemlja 0,3–0,5

trava 0,2–0,3

gozd 0,05–0,2

asfalt 0,1–0,2

voda 0,05–0,1

Enako kot globalno sončno sevanje tudi povprečno urno obsevanje dobimo z vsoto

direktnega in difuznega urnega obsevanja. Ker smo med meritvami spremljali samo podatke

globalnega sončnega sevanja za določeno uro, je potrebno določiti delež difuznega urnega

obsevanja. Najpogosteje citirani korelaciji za določitev razmerja med difuznim in globalnim

urnim obsevanjem sta Orgill in Hollandsova korelacija ter Erbsova korelacija. Navajata po tri

različna razmerja med difuznim in globalnim urnim obsevanjem, ki so odvisna od indeksa

jasnosti kT:

(9)

kjer pomeni:

– globalno obsevanje na vodoravno ploskev na zunanjem robu atmosfere

(Wh/m2dan)

Ko poznamo indeks jasnosti, lahko določimo razmerje med difuznim in globalnim

obsevanjem po eni izmed korelacij. Predstavili bomo samo Ogrill in Hollandsovo korelacijo,

ki navaja naslednja razmerja:

→ (10)

→ (11)

→ (12)

kT večji od 0,75 pomeni jasno nebo brez oblakov, s povečevanjem deleža oblačnosti se indeks


- 12 -

jasnosti znižuje. Vidimo, da se navedena razmerja skladajo z deleži v preglednici 2, ki navaja

difuzne deleže sevanja glede na vremenske pogoje. Ko poznamo razmerje med globalnim in

difuznim urnim obsevanjem, lahko določimo direktno urno obsevanje po enačbi:

(Wh/m2h) (13)

Preglednica 2: Deleži globalnega sevanja ob različnih vremenskih pogojih [13]

Sončno sevanje in trajanje sonca merimo z različnimi merilnimi instrumenti. Ko želimo

izmeriti samo globalno sevanje, se navadno uporabljajo najpreprostejši izmed merilnikov, to

so heliografi, medtem ko se za merjenje direktnega in difuznega sončnega sevanja

poslužujemo piranometrov in pirheliometrov.

Vremenski pogoji Globalno sevanje - celotno

sevanje (W/m2)

Difuzni delež (%)

jasno 500–1000 10–20

megleno - oblačno 200–500 20–80

oblačno 50–200 80–100


- 13 -

3 Toplotni solarni sistemi (TSS)

Toplotni solarni sistemi so namenjeni segrevanju snovi (voda, zrak, razne zmesi z vodo), ki v

sistemu prenaša toploto, namenjeno potrebam, ki so za vsak sistem različne.

Obstajata dva različna tipa delovanja TSS, to sta pasivni in aktivni solarni sistem.

Bistvena razlika med njima je ta, da prvi za delovanje ne potrebuje dodatnega vira energije za

obratovanje in deluje pri nižjih temperaturah kot aktivni solarni sistem. Med pasivne oz.

nizkotemperaturne solarne sisteme se šteje ogrevanje stavb, ki izkoriščajo naravni tok energije

(pot Sonca, velike steklene površine, obrnjene proti jugu itd.). Obratujejo v območju

temperatur od 25 °C do 45 °C.

Aktivne solarne sisteme pa lahko razdelimo na:

srednjetemperaturne, s pomočjo katerih segrevamo sanitarno vodo, bazensko vodo,

grejemo ali hladimo stavbe itd; obratujejo v območju temperatur od 45°C do 120°C,

visokotemperaturne sisteme za obratovanje sončnih elektrarnah, za industrijske

namene proizvodnje pare in procesne toplote, za kuhanje itd; obratujejo v območju

temperatur od 200 °C do 1000 °C. [6]

V nadaljevanju se bomo osredotočili na srednjetemperaturne sisteme, saj v to območje

temperatur spada tudi solarni kolektor, ki smo ga izdelali. Podrobneje bom opisal delovanje

ploščatih kolektorjev.

3.1. Srednje temperaturni solarni sistemi [6], [7]

Med aktivnimi srednjetemperaturnimi sistemi so najbolj razširjeni prav sistemi za

pridobivanje toplote za ogrevanje sanitarne vode. Možna je izvedba z naravnim ali prisilnim

obtokom. Sistemi z naravnim obtokom ali konvekcijo (lahko bi jim rekli pasivni solarni

sistemi) so enostavnejši za izdelavo in montažo, delujejo na principu naravnega kroženja

tekočine. Ko se medij oz. voda segreje, se ji zmanjša gostota, zaradi tega se začne dvigati do

hranilnika toplote, ki je nad SSE, tam odda toploto, se ohladi in zaradi manjše gostote vrne v

SSE. Ti sistemi so primernejši za toplejše podnebje, saj niso zaščiteni proti zamrzovanju in jih

je zato treba sprazniti, če temperature padejo pod ledišče.

Drugače pa je pri sistemih s prisilnim obtokom, kjer za tok nosilca toplote skrbi črpalka.

Takšni sistemi so primerni za vsa podnebja, v hladnejših podnebjih se vodi kot delovnemu

mediju doda protizamrzovalno sredstvo. Višje kot so zahtevane temperature, zahtevnejša je


- 14 -

tehnična izvedba solarnega sistema. Cilj vsakega proizvajalca je, da naredi čim bolj učinkovit

solarni kolektor, to pomeni, da so toplotne izgube čim manjše ob sprejemljivih stroških

izdelave.

Poznamo tri osnovne izvedbe kolektorjev, srednjetemperaturnih solarnih sistemov:

Vakuumski, ki imajo najvišji izkoristek izmed naštetih pri večjih temperaturnih

razlikah, vendar so dražji od ploščatih zaradi zahtevnejše izdelave. Sestavljeni so iz

serije okroglih cevi, v katerih je vakuum, na sredino je vstavljen absorber, ki je lahko

ploščat ali okrogel. Toploto iz absorberja odvzamemo s cevmi, po katerih se pretaka

medij, ki se dvigne do kondenzatorja in tam odda toploto. Zaradi odstranjenega zraka

med absorberjem in zunanjim obodom stekla se močno zmanjšajo konvektivne izgube

in prevod toplote, zaradi tega je takšen kolektor učinkovit tudi pri difuzijskem sevanju

ob oblačnem vremenu. Obstajata dve različni izvedbi: sistem z direktnim prenosom

toplote ter toplotna cev (heat pipe sistem) s kondenzatorjem na vrhih cevi.

Ploščati, ki se najpogosteje uporabljajo za ogrevanje sanitarne vode. Učinkovitost jim

povečajo s selektivnimi nanosi in dobro izolacijo, vendar ne morejo doseči izkoristka

vakuumskih, razen v določenih primerih.

SSE za ogrevanje bazenov so najenostavnejši izmed naštetih, navadno so kolektorji

kar nezastekljene črne gumijaste cevi, po katerih se pretaka voda. Poznamo eno in

dvokrožne sisteme. Pri prvih se bazenska voda segreva direktno, pri dvokrožnih pa se

toplota prenaša preko prenosnika.

Kateri tip kolektorja bomo izbrali, je odvisno od več faktorjev, ki upoštevajo geografsko lego,

količino tople vode, ki jo mora kolektor čez dan segreti (odvisno od porabe), za kakšne

namene ga bomo uporabljali (npr. za pomoč pri ogrevanju ali samo za sanitarno vodo), ali je

potrebno dogrevanje z drugimi viri in katerimi itd. Slika 8 podaja učinkovitost različnih SSE,

glede na razliko temperature med absorberjem in okolico.


- 15 -

Slika 8: Učinkovitost različnih SSE, glede na razliko temperature med absorberjem in

okolico [21]

3.2. Solarni sistem s ploščatim oz. ravnim kolektorjem (SSE) [7]

Najpomembnejši člen sistema je zagotovo SSE, vendar ni dovolj, če imamo kvaliteten SSE,

medtem ko se druge komponente ne skladajo ali imajo prevelike izgube, saj je izkoristek

sistema odvisen od delovanja vseh komponent skupaj kot celote. Sestavni deli so v osnovi

enaki pri vseh izvedbah SSE z majhnimi razlikami. Zaradi specifičnosti bom opisal samo dele

solarnega sistema s ploščatim SSE, natančneje aktivnega, dvokrožnega oz. indirektnega,

zaprtega sistema s prenosnikom toplote za ogrevanje sanitarne vode.

Osnovni sestavni deli vsakega aktivnega sistema za ogrevanje sanitarne vode s

ploščatim SSE so: sprejemnik sončne energije SSE, kapljevina, ki je nosilec toplote, cevi in

povezave od SSE do hranilnika toplote z vsemi varnostnimi elementi, hranilnik toplote s

prenosnikom toplote, obtočna črpalka za poganjanje kapljevine po sistemu ter elementi za

regulacijo sistema. V nadaljevanju so na kratko opisani osnovni sestavni deli. Nekateri

sistemi imajo v hranilniku dodaten prenosnik toplote za dogrevanje z drugim obnovljivim ali

konvencionalnim virom, saj le tako lahko dosegajo želene temperature. Tak sistem je prikazan

na sliki 9.


- 16 -

Slika 9: Sistem za ogrevanje sanitarne vode s konvencionalnim virom dogrevanja [18]

3.2.1. Sprejemnik sončne energije – SSE [7]

SSE je, kot je bilo že omenjeno, najpomembnejši člen sistema, saj v tem delu prihaja do

pretvorbe sončne energije v toplotno energijo, ki jo prenaša medij. Težimo k temu, da se v

koristno toplotno energijo pretvori čim več sončnega sevanja.

Sprejemnik (slika 10) je sestavljen iz aluminijastega, plastičnega ali celo lesenega ohišja

(kot v našem primeru). Zadnja stran je toplotno izolirana, da zmanjšamo prevod toplote skozi

hrbtno stran, prav tako je pomembna izolacija ob straneh, najboljša konstrukcija ohišja je brez

toplotnih mostov. Material za izolacijo mora biti takšen, da prenese visoke temperature med

morebitno stagnacijo sprejemnika v vročih dneh, ko je v hranilniku dosežena želena

temperatura.

Slika 10: Sestavni deli SSE [15]

Zgornja površina oz. pokrov sprejemnika je najpogosteje prekrit s steklom, lahko pa tudi s

pokrovom iz polimernih materialov. Z zasteklitvijo zmanjšamo konvekcijske izgube in

ustvarimo učinek tople grede. Pomembno, je kakšno steklo bomo uporabili, saj se od stekla


- 17 -

nekaj sevanja odbije in nekaj absorbira. Vrednost odbitega sevanja imenujemo refleksivnost.

Najpomembnejši del sprejemnika je absorber. Od konstrukcije absorberja je odvisno, kolikšna

količina toplote se prenese na fluid. Obstaja več vrst absorberjev, navadno so izdelani iz

bakrenih ali aluminijastih cevi, spojenih na ploščo iz bakra ali jekla. Kovine se pogosto

uporabljajo zaradi dobre toplotne prevodnosti. Od premera cevi, kapljevine, ki se po njej

pretaka, ter smeri gibanja kapljevine je odvisen upor, ki ga povzroča trenje tekočine. To

pomeni, da se v ceveh z manjšim premerom večkrat pojavlja turbulenca, kar ima za posledico

boljši prenos toplote. Zgornja stran absorberja je prevlečena s selektivnimi premazi, ki

zmanjšajo sevalne izgube. Premaz samo s črno barvo ni najbolj primeren, ker ob višjih

temperaturah, črna barva močno seva in se tako izgubi veliko koristne toplote. Pomembna je

tudi širina rege med absorberjem in steklom, saj v primeru male razdalje več sevanja preide

skozi steklo. Če pa je razdalja velika, se poveča izguba toplote zaradi kroženja zraka

(konvekcija). Optimalna razdalja je približno med 2 in 2,5 cm. Ob straneh so priključki za

dvižni in povratni vod. Omeniti je potrebno še reže, namenjene senzorjem za merjenje

temperature.

3.2.2. Nosilec toplote oz. solarni ali delovni medij [5], [6]

Nosilec toplote sprejme toploto oddano v SSE, jo prenese preko cevi do prenosnika toplote in

tam odda energijo v hranilnik toplote, v katerem je npr. sanitarna voda. Kapljevina, ki se

najpogosteje uporablja kot nosilec toplote je voda, zaradi svojih karakteristik. Njena

specifična toplota pri konstantnem tlaku cp in temperaturi 20 °C znaša 4182 J/kgK, kar je

veliko, saj ima le malo nam znanih snovi večjo specifično toploto. Toplota, ki jo snov lahko

prenese, je premosorazmerna gostoti in specifični toploti pri konstantnem tlaku. To pomeni,

da je vodo potrebno dalj časa segrevati in tudi toploto oddaja dalj časa kot druge snovi. V

primeru, da sistem deluje tudi v hladnejših mesecih, je vodi potrebno primešati snov proti

zamrzovanju (glikol), kar posledično zmanjša količino toplote, ki jo je zmes zmožna prenesti,

zaradi tega je potrebno povečati pretočne kapacitete sistema. Prednost vode je njena

neoporečnost, dostopnost ter nizka cena. Problem lahko predstavlja le pH nenevtralna, trda

voda ali voda, ki vsebuje nečistoče in druge primesi, saj lahko pride do neželenih reakcij v

sistemu, kar vpliva na zmogljivost sistema.


- 18 -

3.2.3. Hranilnik toplote (HT) s prenosnikom toplote (PT) [6], [7]

Hranilnik toplote potrebuje večina solarnih sistemov, saj je v redkih primerih dovolj toplote

ravno takrat, ko jo potrebujemo. Izdelani so iz bakra, nerjavečega jekla ali premazanega jekla.

Pri HT sta pomembna predvsem čim večja količina shranjene toplote in njena kakovost, ki jo

merimo s temperaturo vode v hranilniku. Zaradi tega mora biti hranilnik dobro izoliran, da

zmanjšamo izgube akumulirane toplote. Nekateri hranilniki so izvedeni tako, da imajo

dodaten prenosnik toplote iz sistema dodatnega ogrevanja (olje, plin, drva, toplotna črpalka

itd.), saj v hladnejših mesecih težko dosegamo želene temperature sanitarne vode samo s

solarnim sistemom. Medij za akumuliranje toplote je večinoma voda, ravno zaradi njenih

dobrih toplotnih lastnosti in ker je okoljsko neoporečna. Velikost hranilnika se določi za

vsakega posameznega uporabnika in je odvisna od števila porabnikov ter njihovih potreb. To

lahko določimo s preprostim izračunom:

(14)

Kjer je:

– število oseb

– potreben volumen hranilnika sanitarne tople vode (l)

– povprečna poraba vode posamezne osebe na dan, ki jo lahko ocenimo na

podlagi podatkov v preglednici 3 (l)

Preglednica 3: Prikaz porabe vode za posamezne aktivnosti [20]

Mala poraba

Aktivnost Poraba tople

vode (l)

Umivanje rok 3

Kopanje 35

Tuširanje 120

Kuhanje 5

Osebna nega 3

Pralni stroj 20

Pomivalni stroj 30

15–30 litrov, na osebo, na dan

Srednja poraba 30–60 litrov, na osebo, na dan

Velika poraba 60–120 litrov, na osebo, na dan


- 19 -

Pomembno je, da hranilnik ni premajhen, ker lahko pride do pregrevanja ob vročem sončnem

dnevu oz. je kolektor izpostavljen visokim stagnacijskim temperaturam. Zaradi manjše

gostote tople vode se ta v HT dviga navzgor, kjer so najvišje temperature, medtem ko so v

najnižji točki HT najnižje temperature vode. To vpliva na vgraditev prenosnika toplote, ki

mora imeti izhod iz HT na najnižji možni točki zaradi doseganja višjega izkoristka. Tudi na

HT so izdelane reže, v katere vstavimo senzorje temperature (slika 11). Vsaj dve reži sta

priporočljivi, ena blizu vrha, druga pa blizu dna, saj le tako dobimo kvalitetne informacije o

stanju v hranilniku.

Naloga prenosnika toplote je, da v hranilnik preda čim več toplote, prenesene iz SSE.

Prenosnik toplote ločuje pitno vodo od nosilca toplote, ki lahko vsebuje razne primesi (npr.

protizamrzovalno sredstvo), kar preprečuje kontaminacijo vode. Izdelani so iz istih materialov

kot HT. PT so lahko vgrajeni v hranilnik v obliki spirale ali nameščeni izven hranilnika, v

neposredni bližini. Prednost zunanjih je, da jih je lažje očistiti, medtem ko so nekateri notranji

fiksno vgrajeni v HT. Velja, da večja kot je površina prenosnika, boljši je prenos toplote v

HT, posledično je temperatura nosilca toplote nižja, ko se vrača v SSE. Rezultat je višji

izkoristek sistema. Vendar velikost prenosnika ni edino merilo, za primerjavo različnih

prenosnikov toplote je pomemben karakteristični koeficient prenosa toplote. Ta upošteva

površino in prestop toplote, ki je odvisen od materiala prenosnika.

Specifična moč prenosnika naj bo med 50 in 80 W/K za vsak m2 površine prenosnika

toplote.

Slika 11: Tipičen HT v prerezu s priključki [14]


- 20 -

3.2.4. Obtočna črpalka [6], [7]

Namenjena je poganjanju kapljevine po sistemu, to pomeni od SSE do hranilnika toplote in

nazaj do SSE. Črpalke so električno gnane, navadno se uporabljajo takšne na izmenično

napetost. Možna je tudi povezava črpalke s sončnimi celicami, kar še dodatno zmanjša

obremenjevanje okolja. Pri dimenzioniranju črpalke upoštevamo tlačni padec pri pretoku

nosilca toplote, ki je sorazmeren kinematični viskoznosti kapljevine. Tlačni padec je odvisen

tudi od premerov cevi v sistemu in črpalne višine. Z večanjem tlačnega padca v sistemu se

povečuje potrebna moč črpalke. Večji kot je izkoristek, manj električne energije porabi

črpalka za prenos enake količine kapljevine. Priključena je navadno na hladni strani za

izhodom iz HT.

3.2.5. Sistem cevi ter vključeni varnostni elementi [5]

V veliki meri se uporabljajo bakrene cevi različnih dimenzij. Redkeje se uporabljajo cevi iz

plastičnih mas, ki naj ne bodo blizu kolektorjev. Tudi cevi je potrebno toplotno izolirati, tako

da so toplotne izgube čim manjše. Podvržene so nihanjem temperatur in visokim tlakom, kar

zahteva kvalitetne povezave med njimi oz. priključki. Na sistem cevi so dodani razni

priključki za namene varnosti ali merjenja temperature in tlaka. Koliko bo teh priključkov, je

odvisno od vsakega posameznega sistema.

Večina zaprtih sistemov ima priključeno raztezno posodo, ki lahko sprejme presežek

nosilca toplote, ko se ta razširi zaradi zvišanja temperature. Brez raztezne posode lahko pride

do poškodb v sistemu zaradi velikega tlaka, ki nastane ob širjenju kapljevine. V raztezni

posodi je gumijasta membrana pod določenim tlakom, ki se skrči, ko tlak v sistemu naraste in

dovoli vstop kapljevini.

Odzračevalnik omogoča izpust zraka iz sistema, ki je vedno prisoten v vodi in lahko

povzroči korozijo in nastanek zračnih žepov, kar otežuje kroženje kapljevine po sistemu.

Odzračevalnik mora biti vertikalno priključen na najvišji točki sistema, takoj za izhodom iz

kolektorja. Na vrhu odzračevalnika je navadno priključen še zračni filter.

Varnostni ventil ali tlačni razbremenilni ventil preprečuje, da bi v sistemu prišlo do

poškodb zaradi nenadnega povečanja tlaka. Pred namestitvijo s privijanjem ali odvijanjem

vijaka nastavimo napetost vzmeti in posledično tlak, pri katerem se bo ventil odprl in izpustil

kapljevino v okolico. Različni viri navajajo različne možne priključitve ventilov.


- 21 -

Najpogosteje je priključen pred raztezno posodo. V hladnejših okoljih se vgrajujejo tudi

ventili proti zamrzovanju.

Protipovratni ventil preprečuje gibanje kapljevine v nasprotno smer. S tem preprečimo,

da bi se kapljevina ponoči oz. ko je voda v hranilniku toplejša kot v kolektorju, dvigala

navzgor v primeru, ko je hranilnik v nižjem položaju kot kolektor. Tako preprečimo dodatne

toplotne izgube sistema. Ventil je lahko nameščen na vhodni ali izhodni strani blizu

hranilnika. Ko se cirkulacija kapljevine konča, vzmet avtomatsko zapre ventil ter tako

prepreči povratni tok.

Manometri, termometri in temperaturni senzorji nam sporočajo stanje v sistemu.

Potrebna sta minimalno dva temperaturna senzorja, da lahko preko regulatorja krmilita

črpalko. Prvi mora biti nameščen pri izhodu iz kolektorja, drugi pa na spodnji hladnejši strani

hranilnika, dodaten senzor je v veliko primerih nameščen pri vrhu hranilnika. Z dodatnim

termometrom na povratnem in dvižnem vodu iz kolektorja dobimo natančnejše podatke o

stanju sistema.

Če manometra priključimo na obeh straneh črpalke, lahko določimo pretok skozi

sistem, upoštevajoč karakteristike proizvajalca črpalke, ki temeljijo na padcu tlaka. Na sliki

12 so prikazani nekateri zgoraj opisani elementi, vključeni v sistem.

Slika 12: Možnost priključitve varnostnih elementov v sistem [19]

3.2.6. Regulator sistema [7]

Skrbi za varnost in boljši izkoristek delovanja. Navadno imajo regulatorji zaslone, na katerih

se nam prikazujejo informacije o delovanju sistema. Najpogosteje uporabljen način regulacije

deluje na principu razlike v temperaturah, ki jo merijo temperaturni senzorji na določenih

mestih v sistemu. Povezan je z obtočno črpalko, ki jo krmili glede na nastavljeno


- 22 -

temperaturno razliko. V primeru, da je temperaturna razlika večja, kot je nastavljena na

regulatorju, se črpalka vklopi in obratno. Takšne regulatorje imenujemo temperaturno

diferenčni regulatorji. Napredni termostati lahko celo spreminjajo hitrost črpalke in s tem

optimizirajo delovanje sistema. Nove tehnologije omogočajo neštete možnosti upravljanja

sistemov tako preko pametnega telefona kot računalnika.

Vprašljiva je uporaba plastičnih absorberjev zaradi njihove slabe toplotne prevodnosti

pa tudi zaradi visokih temperatur v kolektorju, vendar bomo kljub temu za naš izdelek

uporabili absorber iz umetnih mas, zaradi cenovne dostopnosti, saj smo prepričani, da lahko

tudi iz cenenih materialov naredimo sprejemljivo kvaliteten SSE.

3.3. Prenos toplote in učinkovitost SSE [6], [7]

Poznamo tri različne mehanizme prenosa toplote: prestop, prevod in sevanje. Vse moramo

upoštevati, kadar želimo izraziti učinkovitost delovanja oz. izgube SSE. Ob opisih vseh treh

mehanizmov prenosa toplote bomo opisali, kako lahko izboljšamo učinkovitost SSE.

Prevod toplote je pomemben pri absorberju, saj je od le-tega odvisno, kolikšen delež

toplotne energije bo prešel skozi absorber in prestopil na nosilec toplote. Ravno zaradi dobre

prevodnosti se najpogosteje uporabljajo bakrene cevi. Prevod toplote poteka tudi skozi

izolacijo SSE, težimo k temu, da je ta vrednost čim manjša, kar dosežemo z zadostno debelino

izolacije in konstrukcijo brez toplotnih mostov.

Prestop toplote se pojavi pri vrhu pokrova SSE, odvisen je od vremenskih pogojev,

večja kot je npr. hitrost vetra, intenzivnejši je prestop toplote. Zaradi tega mora biti absorber v

zaprtem prostoru, saj bi drugače prihajalo do prevelikih izgub toplote s prestopom. Tudi v

samem SSE prihaja do prestopa, kar vpliva na učinkovitost. Ko je zrak v stiku s toplejšo

površino v SSE, se začne segrevati, zmanjša se mu gostota in posledično se začne dvigati

zaradi vzgona, na njegovo mesto pa doteka zrak z nižjo temperaturo. Pomembno vlogo pri

prestopu znotraj SSE ima širina rege med absorberjem in zasteklitvijo, kot smo že prej

omenili. Prestop toplote lahko zmanjšamo z izsesavanjem zraka iz SSE, ki s kroženjem

prenaša toploto, v tem primeru more SSE imeti dodatne oporne elemente v kritičnih točkah,

da ne pride do poškodb zaradi razlike v tlakih. Zmanjšanje prestopa dosežemo tudi s prosojno

izolacijo med absorberjem in pokrovom. Takšna izolacija je sestavljena iz vzporednih odprtih


- 23 -

cevk z debelino stene nekaj μm in premerom nekaj mm. Sončno sevanje se na stenah cevk

odbija in potuje do absorberja, uporabne so le steklene cevke zaradi visokih temperatur.

Sonce oddaja toplotno energijo s sevanjem, ki za prenos ne potrebuje materije. Delež

vpadnega sevanja, ki doseže material, lahko razdelimo na tri komponente: refleksivnost

(odbojnost), transmisivnost (prepustnost) pri optično prozornih telesih in absorptivnost

(vpojnost). Slika 13 prikazuje toplotne tokove v SSE. Idealen SSE bi absorbiral vso sončno

sevanje, vendar na tekočino prestopi le del tega sevanja. Nekaj se ga od pokrova odbije, nekaj

absorbira. Delež se odbije tudi na absorberju. Segreti absorber nato toploto oddaja nazaj v

hladnejšo okolico, večinoma v daljših valovnih dolžinah, kot jo sprejme. Delež odsevane

toplote zmanjšamo s selektivnimi nanosi na absorberju, ki ta pojav močno zmanjšajo, medtem

ko vpojnost stekla povečamo z odstranitvijo železovega oksida pri sami izdelavi.

Transmisivnost pokrova pa povečamo z zmanjšanjem reflektivnosti površine pokrova, z

nanašanjem tankega sloja, katerega lomni količnik je manjši kot lomni količnik stekla.

Slika 13: Prikaz toplotnih tokov v SSE [7]

3.4. Izračun učinkovitosti SSE [6]

Toplotni tok (neto koristna toplota), dobljen s pretvorbo sončne energije, ki ga kapljevina

odvede iz SSE, lahko izračunamo po naslednji enačbi:

(15)

Kjer pomenijo:

QSSE – toplotni tok, dobljen s pretvorbo sončne energije (W)

FR – brezdimenzijski faktor učinkovitosti absorberja


- 24 -

ASSE – površina SSE (m2)

Gglob,SSE – globalno sevanje na ravnino pokrova SSE (W/m2)

τpokrov – transmisivnost vseh pokrovov

αabs – absorbtivnost površine absorberja

kSSE – koeficient toplotne prehodnosti SSE (W/(m2K)

TSM,sr – srednja temperatura solarnega medija v SSE (°C)

TOK – temperatura okolice (°C)

Izkoristek ( ) ali učinkovitost SSE pomeni zmožnost pretvorbe sončne energije v koristno

toplotno energijo. Torej je enak razmerju med odvedenim toplotnim tokom, ki se izračuna po

enačbi 15, in trenutno vpadlo energijo sonca. Izkoristek je močno odvisen od razlike v

temperaturi med okolico in absorberjem, višja kot je razlika, manjši je izkoristek, ker se

povečajo toplotne izgube. Izračunamo ga po naslednji enačbi:

(%)

(16)

Če namesto QSSE vstavimo izraz 15 in enačbo ustrezno uredimo, dobimo naslednji izraz:

(17)

Zmnožek:

(18)

imenujemo tudi optična učinkovitost ηo sprejemnika, saj se nanaša na optične lastnosti

pokrova in absorberja (usmerjeno navpično sevanje na površino SSE). Optična učinkovitost je

največji možni teoretični izkoristek SSE, saj je izračunan pri razliki temperatur med

absorberjem in okolico enaki 0. Najboljši zastekljeni SSE imajo ηo okoli 90 %.

Izraz:

(19)

imenujemo nadtemperatura sprejemnika in ga skrajšano označimo s T*.


- 25 -

Učinkovitost SSE lahko ponazorimo v diagramu s krivuljami oz. premico učinkovitosti. Na

sliki 14 so prikazane tipične relacije med izkoristkom in razliko med temperaturama ter

intenziteto globalnega obsevanja.

Slika 14: Tipične vrednosti izkoristka kolektorja pri različnih temperaturnih razlikah in

obsevanjih [15]

Enačba:

(20)

predstavlja naklonski kot premice učinkovitosti v diagramu. Tako lahko zapišemo skrajšano

enačbo za izračun izkoristka SSE:

(21)

Ker redko poznamo točne optične lastnosti sprejemnikov in vse konstrukcijske parametre,

izkoristek lažje določimo po drugi enačbi, ki jo imenujemo kalorimetrična. Po tej enačbi

odveden toplotni tok QSSE izmerimo pri časovno ustaljenem oz. kvazistacionarnem delovanju.

(W) (22)

Enačbo za izkoristek SSE potem lahko zapišemo

(23)


- 26 -

Kjer pomenijo:

– povprečni masni pretok solarnega medija (kg/s)

– specifična toplota solarnega medija (J/kgK)

– temperatura solarnega medija na izstopu iz SSE (°C)

– temperatura solarnega medija na vstopu v SSE (°C)

Seveda pa na učinkovitost delovanja kolektorja vplivajo še drugi parametri, ki jih je potrebno

upoštevati. To so:

stagnacijska temperatura pri maksimalnem sončnem sevanju;

efektivna termalna kapaciteta; nanaša se na material, iz katerega je sestavljen kolektor;

nekateri materiali imajo visoko termalno kapaciteto in se počasi odzivajo na zunanje

spremembe, medtem ko za nekatere velja obratno;

sposobnost črpanja skozi kolektor; padec tlaka, ki ga more premagati črpalka pri

določenem pretoku.

Vidimo, da se na ta način izognemo parametrom, ki jih morebiti ne poznamo ali jih ne

moremo natančno izmeriti in bi zaradi tega lahko prišlo do rezultatov z odstopanjem od

dejanske vrednosti. Tudi sami se bomo posluževali te enačbe izračuna izkoristka za naš

kolektor, saj vključuje samo veličine, ki jih lahko izmerimo med meritvami, v nasprotnem

primeru bi lahko prišlo do težav zaradi pomanjkanja podatkov. Verjetno sploh ne bi bilo

mogoče določiti vseh potrebnih parametrov, saj bomo za izdelavo kolektorja uporabili

nestandardne materiale z neznanimi karakteristikami. V bistvu ta izračun temelji na dejansko

izmerjenih vrednostih, medtem ko je potrebno v drugih izračunih poznati neke določene

parametre, ki se mogoče ne skladajo z dejanskim stanjem.


- 27 -

4 Načrtovanje, dimenzioniranje in izdelava prototipa

Pri načrtovanju izdelave kolektorja smo se držali načela, da ga izdelamo s čim manjšimi

stroški ter dosežemo čim večji izkoristek delovanja kolektorja. Zaradi tega smo se odločili, da

kjer se le da, uporabimo odpadne materiale oz. materiale, ki so na voljo doma. Ko smo imeli

na voljo vse dele, smo kolektor še dimenzionirali, nato je sledila izdelava kolektorja. V

preglednici 4 so prikazani uporabljeni materiali, njihov namen in stroški nabave materiala.

Preglednica 4: Uporabljeni materiali za izdelavo kolektorja, njihov namen ter cena

Material ter namen Cena [€]

Gumijasta solarna cev ɸ 16 - za absorber 15

Odpadno okno z dvoslojno zasteklitvijo – za okvir kolektorja z zasteklitvijo 0

Deli palet – za spodnji del okvirja kolektorja, podstavek in držalo za kolektor 0

Poliuretanska pena – za izolacijo ob straneh kolektorja 4

Silikonski kit x 2 – za zamašitev por 8

Barva 0

Ročaj x 4 – za držala ob straneh kolektorja 10

Polistirenska plošča z lesenim okvirjem (28 mm) – za hrbet kolektorja, izolacija 0

Kovinska plošča črne barve – za prekritje notranje površine hrbtišča kolektorja 0

Cevne plastične objemke ɸ 16 x 40 – za pritrditev absorberja na hrbet kolektorja 7

Kovinski nastavek za cev z navojem x 2 – za spojitev cevi pri meritvah 5

Kovinske objemke kovinske za spajanje cevi – za spojitev cevi pri meritvah 3

Skupaj: 52 €

4.1. Opis sestavnih delov

Za absorber smo uporabili gumijasto solarno cev zunanjega premera 16 mm, z debelino stene

1,5 mm pritrjeno na pločevino črne barve. Slabost gume je njena nizka toplotna prevodnost,

ki znaša (iz KSP) λ ≈ 0,16 W/mK, medtem ko toplotna prevodnost bakra, iz katerega so

navadno narejeni konvencionalni absorberji, znaša: λ = 395 W/mK, kar je neprimerno več.

Prednost gumijaste cevi je nizka cena in enostavna namestitev v samo ohišje, to pomeni, da

absorber lahko namestimo v obliko, ki nam najbolj ustreza. Potrebno se je bilo le še odločiti,

v kakšni obliki bomo absorber namestili v ohišje kolektorja. V konkretnem primeru smo se

odločali med tremi oblikami namestitve. Na sliki 15 so prikazane vse tri izvedbe.


- 28 -

Slika 15: Absorber, zavit v spiralo, absorber, zavit v kačo, ter absorber z dvižnim in

povratnim vodom

Kot prva je odpadla možnost namestitve absorberja z dvižnim in povratnim vodom, saj bi si s

tako postavitvijo zelo otežili delo, tudi pozneje bi lahko nastopile težave s puščanjem

tekočine. Za spiralno namestitev smo se odločili, ker smo v kolektorju želeli maksimalno

dolžino cevi in smo le tako, zaradi omejene gibkosti, lahko v kolektor namestili celotno cev

dolžine 25 m, kljub temu da je ob robovih ostal neizkoriščen prostor.

Količina vode, ki jo sprejme absorber po enačbi 24, znaša:

(24)

Kjer pomenijo:

V – volumen cevi/absorberja (m3)

r – notranji polmer cevi (m)

L – dolžina cevi (m)

Za okvir in zasteklitev smo uporabili staro okno z dvoslojno zasteklitvijo, katere prednost je

manjša izguba s prestopom, slabost pa je povečanje refleksivnosti sevanja, kar pomeni, da se

poveča delež sončnega sevanja, ki se od stekla odbije v okolico. Posledično to vpliva na

manjše dosežene temperature v samem kolektorju, kar pomeni tudi nižji izkoristek. Površina

zasteklitve (ASSE) je 1,1 m2. Deli palet, ki smo jih uporabili za stranice kolektorja (širine 78

mm), obenem nudijo tudi toplotno izolacijo, kljub temu da je toplotna prevodnost 4 krat

manjša od polistirena.

Ko smo vedeli kakšna, bo namestitev absorberja, smo kolektor izrisali v tlorisu (slika

16) in prerezu (slika 17) glede na sestavne dele, ki smo jih pozneje uporabili za izdelavo, ter


- 29 -

ga dimenzionirali. Zasnovo kolektorja smo morali samo še prenesti iz virtualnega okolja v

realno in se lotiti izdelave.

Slika 16: Tloris kolektorja

Slika 17: Prerez kolektorja

Najprej smo izdelali okvir z zasteklitvijo, to pomeni, da smo pripravili okno in nanj pritrdili

leseni okvir narejen iz palet. S poliuretansko peno smo zapolnili režo, ki je zaradi oblike okna

ostala med okvirjem okna in lesenim okvirjem. Nato smo na hrbtišče, ki je hkrati tudi

izolacija, pritrdili pločevino. Absorber smo na hrbtišče pričvrstili s plastičnimi objemkami,

tako da so cevi bile dvignjene od pločevine za 13 mm. Hrbtišče z absorberjem smo nato

pritrdili na okvir z zasteklitvijo. Vsak spoj smo še dodatno obdelali s silikonskim kitom, da bi

zmanjšali toplotne izgube. Ker smo hoteli estetski videz, smo okvir obdelali z lesenimi

ploščami in jih pobarvali z isto barvo kot spodnji del kolektorja. Ko je bil kolektor sestavljen,

smo na okvir pritrdili še ročaje za lažje prenašanje, saj je končan kolektor tehtal kar 80 kg.

Sestavni deli so prikazani na sliki 18.


- 30 -

Slika 18: Sestavni deli kolektorja

Izdelava ni bila posebno zahtevna, potekala je brez večjih zapletov, potrebno je bilo le

upoštevati nekatere podrobnosti in natančno prilagoditi vse dele, ki smo jih spajali.


- 31 -

5 Izvedba merilne proge

Merilno progo smo izvedli tako, da smo lahko merili pretok in na štirih mestih temperaturo.

Podatke meritev smo s pomočjo aplikacije, ki smo jo naredili, beležili na računalniku. Tako

smo lahko sproti spremljali spremembe. Termoelemente smo razporedili po merilni progi,

tako da smo iz dobljenih rezultatov lahko izračunali izkoristek.

5.1. Omejitve meritev

Pred začetkom meritev smo si postavili določene zahteve, ki smo jih skušali izpolniti. Tako

smo želeli dobiti čim bolj primerljive rezultate. Zahteve so povzete v naslednjih točkah:

Vodo bomo poskušali segreti na > 50 °C, zaradi tega, ker se v primeru nižje

temperature v stoječi vodi lahko razvijejo mikroorganizmi legioneloze, ki povzročajo

legionarsko bolezen in pontiaško vročico.

Kolektor bomo ob vsaki meritvi obrnili proti jugu z naklonom 30° glede na

horizontalno ravnino, ker nas zanima izkoristek v primeru, da je kolektor fiksno

postavljen na neko površino npr. na streho hiše. Pomagali smo si s kompasom.

Zanemarili bomo vetrovne razmere, saj bodo meritve potekale v relativnem zavetju.

Predpostavili bomo, da je vpliv vetra zanemarljivo majhen in nima občutnega vpliva

na rezultate meritev.

5.2. Merilna proga

Slika 19: Skica merilne proge

Na merilni progi (slika 19) si v smeri pretoka sledijo: ventil za nastavitev pretoka, merilnik

pretoka in termoelementi. Vsi termoelementi so bili tipa K. Maksimalni pretok, ki ga


- 32 -

omogoča vodovod, znaša 0,167 l/s, ob polno odprtem ventilu, medtem ko je minimalni

pretok, ki ga je še zaznal senzor, znašal 0,004 l/s.

Slika 20: Termoelement (T1) ter merilnik pretoka (PR) pred vstopom vode v kolektor

Prvi termoelement (T1) meri temperaturo vode pred vstopom v SSE, takoj za njim je

postavljen merilnik pretoka (PR), kot je razvidno iz slike 20.

Z naslednjim termoelementom (T2), ki smo ga vstavili skozi izolacijo v sredino SSE (slika

21), smo merili temperaturo zraka v notranjosti kolektorja.

Slika 21: Termoelement (T2) ter terminalni blok (T4) na levi strani

Na iztočni cevi kolektorja je termoelement (T3) meril temperaturo ogrete vode (slika 22), ki

smo jo nato spuščali v odtok. Prvi ter tretji termoelement sta bila vstavljena v bakreno cev, ki

je predstavljala tudi povezavo med dotočno cevjo in absorberjem ter absorberjem in odtočno

cevjo.


- 33 -

Slika 22: Termoelement (T3) v ozadju T1, PR in TB

Temperaturo okolice smo merili kar s terminalnim blokom (TB), ki ima senzor za merjenje

temperature hladnega spoja. Terminalni blok (slika 21) smo postavili pod kolektor in ga še

dodatno zaščitili pred direktnim sončnim sevanjem. Enako smo storili tudi s preostankom cevi

pred vstopom v kolektor, s čimer smo zmanjšali vpliv vremenskih razmer na rezultate

meritev. Takšna razporeditev termoelementov nam omogoča, da lahko izračunamo razliko v

temperaturi vode po izstopu iz SSE, medtem ko nam je znana temperatura okolice, notranjosti

kolektorja ter masni pretok vode skozi kolektor.

Za spremljanje meritev smo uporabili računalniški program LabVIEW 2012, v katerem

je bila izdelana merilna aplikacija, ki je prikazovala in shranjevala podatke iz senzorjev. Iz

dobljenih podatkov zgoraj navedenih termoelementov in pretokomera je program sproti

prikazoval še moč kolektorja.

5.2.1. Sistem za zajemanje podatkov

Uporabili smo večfunkcijsko kartico NI PCI EXPRES 6363. Maksimalna frekvenca

zajemanja kartice je 2 MHz po 1 kanalu in ločljivost 16 bitov. Ločljivost je primerna za te

meritve signalov termoelementov, dejanske meritve pa smo izvedli s frekvenco zajemanja

1000 Hz in povprečenjem. Vsi senzorji so bili priključeni na terminalni blok SCC 68, ki je bil

povezan s kartico, s kablom SHC 68-68M.

Signal pretokomera je bil pravokotne oblike z minimalno frekvenco okoli 1 Hz, zato

smo za zajem potrebovali vsaj 5-sekundni interval. Signal pretokomera je bil viden na zaslonu

in v primeru, da senzor ni zaznal pretoka (pretoka ni ali pa je premajhen) je prikazal vrednost

okrog 4 l/s oz. 50 Hz, kar pomeni napako.

Podatki so se osveževali vsakih 6 sekund.


- 34 -

5.3. Priprave na meritve

Preden smo opravili prvi test, smo namestili kolektor pod naklonskim kotom β = 30° (kot med

ravnino ploskve in horizontalno ravnino) na podlago iz palete (slika 24). Na podlagi želenega

naklonskega kota in dolžine spodnje ploskve smo izračunali še dolžino vertikalne oporne

stranice (X) in dolžino hipotenuze (Y) oz. točko, kjer smo pritrdili oporno stranico (slika 23).

Slika 23: Izračun dolžin za postavitev SSE

→

(25)

(26)

Tako smo dobili dolžine stranic in lahko smo postavili kolektor. Naklonski kot je pomemben

zaradi kota višine sonca, ki v poletnih mesecih znaša okrog poldneva približno 60°

(podrobnejši opis je v poglavju 2.1.2.). Naslednja naloga, ki smo jo naredili, ko smo imeli vse

povezano, je bila kontrola pretoka, da smo ugotovili, če se prikazana vrednost sklada z

realnim pretokom. To smo naredili tako, da smo pretok nastavili na 0,05 l/s, na izteku pa smo

podstavili čašo in s štoparico merili čas 20 sekund. Po dvajsetih sekundah je bila čaša

napolnjena malenkost čez 1 liter, kar pomeni, da smo dobili zadovoljivo vrednost. Ugotovili

smo, da je nemogoče vzdrževati konstanten pretok, saj zaradi priklopa na vodovodno omrežje

vedno pride do manjših odstopanj. Naslednja naloga bi bila umerjanje termoelementov,

vendar smo se temu lahko izognili, saj so bili pred kratkim umerjeni z majhnim odstopanjem,

ki bistveno ne vpliva na naše rezultate.


- 35 -

Slika 24: Kolektor, postavljen pod kotom 30° in obrnjen proti jugu


- 36 -

6 Izvedba meritev

Skupno smo opravili tri cikle meritev od 18. 8. 2014 do 18. 9. 2014. Pred meritvami smo

opravili test, pri katerem smo ugotavljali, ali so vsi instrumenti na merilni progi usklajeni.

Vsaka meritev je potekala nekoliko drugače v primerljivih vremenskih pogojih. Za vsako

meritev smo iz podatkov za sončno sevanje izračunali povprečno vrednost sončnega sevanja.

Temperatura zraka, ki smo jo merili s terminalnim blokom, je bila vedno višja od dejanske

temperature. Do razlike je prišlo zaradi tega, ker smo terminalni blok postavili pod kolektor 3

cm nad tlemi, kjer je toplotno sevanje od tal intenzivno, ob straneh pa smo ga pred direktnim

sončnim sevanjem zaščitili le s kartonom. Preden so se meritve začele zapisovati, je bil

kolektor že nekaj minut izpostavljen sončnemu sevanju zaradi priprave merilne proge, kar

pomeni, da je bila temperatura zraka v kolektorju na začetku meritev že povišana. Vse

meritve smo opravili ob približno enaki uri (med 11:50 in 14:15). Poudariti je potrebno tudi

to, da vremenski podatki, ki so navedeni pri opravljenih meritvah, veljajo splošno za Maribor

in ne nujno tudi za specifično mesto, kjer smo opravljali meritve. Povprečne rezultate meritev

smo pri vsaki meritvi posebej razdelili v preglednico v smiselnih časovnih intervalih, z

namenom, da prikažemo čim bolj točne rezultate.

6.1. Prva opravljena meritev dne 18. 8. 2014

Namen prve meritve je bil kolektor ogreti na maksimalno možno temperaturo in nato

ugotoviti, kakšno količino vode, ogrete nad 50 °C, dobimo, če vzpostavimo maksimalni

pretok. Rezultati so prikazani na sliki 25.

Vremenski podatki med 11:50 in 13:40:

Povprečna moč globalnega sončnega sevanja na ravno površino: 831 W/m2

Največja moč globalnega sončnega sevanja na ravno površino: 847 W/m2

(med 13:00

in 13:30)

Oblačnost: 1/8 ves čas meritev

Hitrost vetra: 4,8 m/s, močni sunki ves čas meritev

Povprečna temperatura ozračja: 24 °C

Povprečna temperatura ozračja, izmerjena s terminalnim blokom: 29,0 °C


- 37 -

Slika 25: Potek pretoka in temperatur – meritev 1

Pred meritvijo smo preizkusili merilnik pretoka tako, da smo najprej pretok odprli na

minimum, nato še na maksimum in primerjali vrednosti s tistimi iz testiranj. Ker so bile

vrednosti podobne (razlika 0,001 l/s), smo lahko pričeli z meritvami.

Najprej smo vzpostavili konstanten pretok vode skozi kolektor. Vidimo lahko (slika 25),

da sta se temperaturi v kolektorju in na izstopu počasi, ampak konstantno dvigali.

Temperaturna razlika med njima je bila 16 °C pri povprečnem pretoku 0,006 l/s. Po pol ure,

ko so se temperature ustalile, smo pretok zaprli in čakali, da se kolektor ogreje na maksimalno

temperaturo. Kolektor se je ogreval zelo počasi in neenakomerno, predvidevamo, da zaradi

močnega vetra in posledično povečanih konvekcijskih izgub. Zaradi takšnih razmer smo se

odločili, da pri 92 °C odpremo ventil za vodo na maksimalno vrednost. Kolektor se je do te

temperature ogreval kar 70 minut. Ko smo ventil odprli, je temperatura na izstopu strmo

padla, po 36 sekundah je bila nižja od 50 °C. Če izračunamo povprečen pretok vode (0,165

l/s) v teh 36 sekundah, dobimo količino vode, ogrete nad 50 °C.

(27)

Po dveh minutah (po odprtju ventila) je temperatura vode na izstopu padla na 28 °C, medtem

ko je senzor v kolektorju prikazoval 78 °C. Temperaturna razlika med vstopom in izstopom

je znašala le še 5 °C.

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

22

21

2

40

1

59

1

78

1

97

0

11

59

13

48

1

53

8

17

27

19

16

21

05

22

95

24

84

2

67

3

28

63

3

05

2

32

41

34

30

3

62

0

38

09

39

98

41

88

43

77

45

66

4

75

5

49

45

51

34

53

23

55

12

57

02

5

89

1

pre

tok

(l/s

)

tem

pe

ratu

ra (

°C)

čas (s) T4 temrblok T1 vstop T3 izstop T2 komora pretok (l/s)

Odsek, katerega smo upoštevali za izračun izkoristka kolektorja.


- 38 -

Ker s takšnim režimom ni možna kontinuirana proizvodnja, bi bila bolj smiselna saržna

proizvodnja tople vode.

Moč oz. odveden toplotni tok QSSE lahko zapišemo:

(W) (28)

Kjer je:

– masni pretok vode

– specifična toplota vode

T3 – izstopna temperatura

T1 – vstopna temperatura

Odveden toplotni tok torej izračunamo pri časovno ustaljenem oz. kvazistacionarnem

delovanju. Interval stacionarnega delovanja smo označili na sliki 25. Glede na to, da je med

20 °C (4182 J/kgK) in 40 °C (4178 J/kgK) razlika v specifični toploti vode le 4 J/kgK, smo se

lahko izognili interpolaciji in sami ocenili vrednost, saj tako mala razlika nima vpliva na

rezultat. Potrebna bi bila tudi pretvorba iz volumskega v masni pretok, saj se gostota vode

znižuje z višanjem temperature. Vendar pa le-ta nima velikega vpliva na rezultat, saj je

sprememba v izračunu moči kvečjemu 1 W. Zato bomo v nadaljevanju računali s konstantno

gostoto. Če vstavimo vrednosti za prvi primer v enačbo (28), dobimo:

Preglednica 5: Povprečni rezultati prve meritve

Čas (ure:min)

Vstop T1

(°C)

Komora T2

(°C)

Izstop T3

(°C)

Razlika T3 –

T1 (°C)

Pretok

(l/s)

Moč

(W)

11:50 –

12:20

24,1

47,0

32,9

8,8

0,006

220,7

12:20–

13:30

/

T2 max =

91,8

/

/

Pretok

zaprt

/

13:30 –

13:32

24,1

86,1

49,4

25,3

0,147

/

13:32 –

13:40

26,8

73,4

33,0

6,2

0,051

*

1321,7


- 39 -

Rezultate v posameznih časovnih intervalih prikazuje preglednica 5. Moči, ki smo jih v

tabelah označili z *, pomenijo vrednosti, dobljene pri neustaljenih razmerah, kar pomeni, da

vsaj ena izmed temperatur ni bila konstantna.

6.2. Druga opravljena meritev dne 8. 9. 2014

Pri drugi meritvi smo kolektor za eno uro postavili na sonce, da se segreje na maksimalno

temperaturo, nato smo vzpostavili pretok. Naš namen je bil, da ugotovimo kakšno

moč/izkoristek kolektor doseže pri določenem konstantnem pretoku oz. kontinuirani

proizvodnji tople vode. Rezultati so prikazani na sliki 26.

Vremenski podatki med 12:15 in 14:15:

Povprečna moč globalnega sončnega sevanja na ravno površino: 731,7 W/m2

Največja moč globalnega sončnega sevanja na ravno površino: 740 W/m2 (med 12:30

in 13:00)

Oblačnost: 1/8 ves čas meritev

Hitrost vetra: 2,8 m/s




0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

13

25

1

49

0

72

8

96

6

12

04

14

42

16

80

19

18

21

60

23

98

26

36

28

74

31

13

33

51

35

89

38

27

40

65

43

03

45

41

47

79

50

18

52

56

54

94

57

32

59

70

62

08

64

46

66

85

69

23

71

61

pre

tok

(l/s

)

tem

pe

ratu

ra (

°C)

čas (s) T4 termblok T1 vstop T3 izstop T2 komora pretok (l/s)

Odseka, ki smo ju

upoštevali pri izračunu

izkoristka kolektorja.


- 40 -

Po eni uri se je zrak v kolektorju ogrel na 85,2 °C, torej je temperaturna razlika glede na

začetek merjenja znašala 42,2 °C. Ko smo vzpostavili pretok, je temperatura v kolektorju

najprej strmo padla, nato pa konstantno padala. Vidimo, da je takoj po vzpostavitvi pretoka

temperatura vode na izstopu bila celo višja kot v kolektorju. Vzrok tega je bila ogreta cev in

termoelement na izteku iz kolektorja. Po sedmih minutah se je temperatura vode na izstopu

ustalila pri 37 °C, medtem ko je temperatura v kolektorju še rahlo padala. Ko so se

temperature ustalile, smo pretok povečali iz 0,011 na 0,013 l/s. Temperatura na izstopu je

padla na 34,5 °C. Ko se je ponovno ustalila, smo še dodatno povečali pretok na 0,031 l/s.

Tokrat je senzor izmeril 28,8 °C. Pri konstantnem pretoku vode in ustaljenih razmerah je bila

povprečna razlika med temperaturo v kolektorju (T2) in temperaturo na izstopu (T3) 26,1 °C.

Iz tega lahko sklepamo, da je prenos toplote v kolektorju slab, kakor smo tudi predvidevali

zaradi uporabe absorberja (cevi) iz gume.

Preglednica 6: Povprečni rezultati druge meritve

Čas

(ure:min)

Vstop T1

(°C)

Komora T2

(°C)

Izstop T3

(°C)

Razlika T3 –

T1 (°C)

Pretok

(l/s)

Moč

(W)

12:15 –

13:15

/ T2 max =

85,2

/

/

Zaprt

pretok

/

13:15–

13:22

24,3

69,6

64,6

40,3

0,019

*

3200,6

13:22 –

13:55

24,6

62,8

36,7

12,1

0,011

556,3

13:55 –

14:10

24,6

59,7

35,1

10,5

0,013

570,6

14:10 –

14:15

23,3

58,9

27,7

4,4

0,032

*

588,5

V preglednici 6 vidimo, da se nam je moč povečala, ko smo povečali pretok, kljub zmanjšani

temperaturni razliki med vstopom in izstopom. Pri primerjavi izračunanih moči med prvo in

drugo meritvijo hitro ugotovimo, da druga meritev močno odstopa od prve. Če pogledamo

graf na sliki 26, vidimo, da je temperatura v kolektorju še padala, kar pomeni, da je kolektor

oddajal akumulirano toploto. Zaradi tega smo se odločili, da opravimo še eno meritev, da

bomo lažje primerjali dobljene moči in izkoristke kolektorja.


- 41 -

6.3. Tretja opravljena meritev dne 18. 9. 2014

Namen tretje meritve je bil ugotoviti, kako se kolektor odziva na spremenljivo vreme, zato

smo simulirali oblačnost, ves čas meritev je bil vzpostavljen konstanten pretok. Rezultati so

prikazani na sliki 27.

Vremenski podatki med 12:10 in 13:55

Povprečna moč globalnega sončnega sevanja na ravno površino: 700,2 W/m2

Največja moč globalnega sončnega sevanja na ravno površino: 705 W/m2 (med 12:30

in 13:30)

Oblačnost: 2/8 na začetku, potem 1/8

Hitrost vetra: 2,6 m/s




Ob postavitvi kolektorja na mesto smo vzpostavili konstanten pretok vode, vrednosti med

0,004 l/s in 0,007 l/s, saj natančnejša regulacija ni mogoča zaradi vezave na vodovodno pipo.

Iz grafa je razvidno, da se je kolektor pred začetkom meritev že nekoliko ogrel, vendar je

temperatura takoj padla, ko smo vzpostavili pretok. Zaradi pretežno jasnega vremena na

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0,045

0,05

0

10

20

30

40

50

60

14

19

8

38

1

56

4

74

7

93

1

11

14

12

97

1

48

1

16

64

18

48

20

31

22

14

2

39

7

25

80

27

63

2

94

7

31

30

33

13

3

49

6

36

79

38

62

4

04

6

42

29

44

12

45

95

47

78

49

62

51

45

53

28

55

11

56

94

pre

tok

(l/s

)

tem

pe

ratu

ra (

°C)


Odseki , ki smo jih

upoštevali pri

izračunu izkoristka.


- 42 -

začetku se kolektor ni enakomerno ogreval oz. je temperatura nihala. V grafu so ta nihanja

lepo vidna in na temperaturo vode na izstopu nimajo posebno velikega vpliva. Ko se je vreme

zjasnilo, je temperatura začela konstantno naraščati. Proti koncu meritev, ko so se temperature

ustalile, smo želeli preveriti odzivnost kolektorja ob daljšem času oblačnosti, saj je vreme

velikokrat nestabilno, zato smo simulirali oblačnost (slika 28) in ga prekrili, prvič za 5, nato

še za 7 minut. S tem smo hoteli videti, kako dolgo potrebuje kolektor, da se temperature

ponovno stabilizirajo, in kakšna je moč kolektorja, ko se temperature ponovno ustalijo.

Slika 28: Simulacija oblačnosti

V prvem primeru (5 min) je temperatura v kolektorju (T2) padla za 10 °C (iz 57 °C na 47

°C), zaradi daljše "oblačnosti" je padla tudi temperatura na izstopu (T3) za 2,7 °C (iz 31,7 °C

na 29 °C). Po enajstih minutah se je temperatura v kolektorju, kakor tudi na izstopu iz njega,

ponovno ustalila pri 56 °C oz. 31,7 °C.

V drugem primeru (7 min) je temperatura v kolektorju padla za 13 °C (iz 56 °C na 43

°C), temperatura na izstopu pa na 28 °C, torej za 3,7 °C. Tokrat se je temperatura ponovno

ustalila po desetih minutah, v kolektorju pri 55,2 °C ter na izstopu pri 32,3 °C. Na sliki 29

vidimo, kako se kolektor odziva. Razvidno je, da se je pri večjem padcu temperature ta tudi

hitreje dvignila in normalizirala, ko smo kolektor odkrili. Očitna je tudi razlika med

ohlajanjem in ogrevanjem v kolektorju. Ko smo ga prekrili, je namreč temperatura

sorazmerno linearno padala, medtem ko je pri ponovnem ogrevanju najprej hitro, nato pa

vedno počasneje naraščala, kar je značilnost odziva sistema prvega reda.


- 43 -

Slika 29: Odzivnost kolektorja na oblačnost

Vidimo tudi, da sta temperatura vode pred vstopom v kolektor in temperatura okolice

konstantni ves čas meritev. Približno na sredini meritev je prišlo do motenj pri zaznavanju

pretoka, kar vidimo na grafu (slika 27) kot vertikalne črte.

Preglednica 7: Povprečni rezultati tretje meritve

Čas

(ure:min)

Vstop T1

(°C)

Komora T2

(°C)

Izstop T3

(°C)

Razlika T3 –

T1 (°C)

Pretok

(l/s)

Moč

(W)

12:15 –

12:40

22,7

32,2

28,8

6,1

0,009

*

239,7

12:40 –

13:05

23,8

46,7

32,0

8,2

0,006

*

205,7

13:05 –

13:30

23,6

54,8

30,9

7,3

0,007

213,6

13:30 –

13:55

23,7

52,1

30,6

6,9

0,007

201,9

Ves čas meritev je kolektor deloval s podobno močjo (preglednica 7), tudi takrat, ko

temperature še niso bile ustaljene, predvsem v začetnem delu meritev. Vidimo, da so

izračunane moči primerljive s prvo meritvijo.

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0

10

20

30

40

50

60

14

11

2

21

0

30

8

40

5

50

3

60

1

69

9

79

6

89

4

99

2

10

89

11

87

12

85

13

82

14

81

15

79

16

77

17

74

18

72

19

70

20

67

pre

tok

(l/s

)

tem

pe

ratu

ra (

°C)



- 44 -

7 Rezultati meritev

Meritve smo poskusili opraviti v karseda podobnih pogojih, v glavnem nam je to tudi uspelo.

Želeli smo jih opraviti v krajšem časovnem obdobju, vendar so nam slabe vremenske razmere

to onemogočale. V roku enega meseca se je spremenil kot sevanja sonca, zmanjšalo se je

sončno obsevanje, posledično se je ohladilo tudi ozračje. Zaradi tega je prišlo do razlik v

izmerjenih močeh pri različnih meritvah. Vpliv na različnost rezultatov je imelo tudi to, da

smo vsako meritev opravili na drugačen način. To je bil tudi naš namen, saj smo želeli

ugotoviti, kako se kolektor odziva pri različnih okoliščinah. Vendar kljub temu lahko

potegnemo vzporednice med vsemi tremi meritvami.

Najbolj smiselno je, da med seboj primerjamo temperature ozračja, sončno obsevanje,

vetrovne razmere ter dobljeno moč in izračunamo izkoristek. V preglednici 8 so navedene

samo moči v časovnih intervalih, ko so bile temperature (vstop, izstop, komora) vsaj 5 minut

ustaljene (če je bilo možno). Slike z grafi odsekov so priložene v prilogi 1.

Preglednica 8: Primerjava meteoroloških podatkov in izračunane moči med meritvami

Datum / časovni

interval upoštevane

meritve

Temperatura

ozračja

(°C)

Hitrost vetra

(m/s)

Globalno

sončno sevanje

(W/m2)

Izračunana

moč

(W)

18.8.2014

12:20–12:25

22 4,8 822 169,2

8.9.2014 13:50–13:57 23 3,0 732 469,2*

14:01–14:11 24 2,6 724 530,9*

18.9.2014

13:17–13:22 20 2,4 608 231,2

13:30–13:38 21 2,9 618 222,1

13:50–13:55 21 2,5 590 229,6

Za računanje izkoristkov za posamezen časovni interval smo uporabili kalorimetrično enačbo

(23), saj ne poznamo vseh konstrukcijskih parametrov in optičnih lastnosti kolektorja. Znana

pa sta nam površina zasteklitve kolektorja (ASSE) in globalno sevanje na ravnino kolektorja

(Gglob,SSE). Če želimo dobiti realno vrednost izkoristka, je potrebno globalno sevanje pretvoriti

v povprečno urno obsevanje na poljubno ploskev za časovne intervale, ki so navedeni v

preglednici 8. To moramo narediti zaradi tega, ker je bil naš kolektor postavljen pod


- 45 -

določenim kotom, globalno sevanje pa je merjeno na horizontalno ploskev. Vidimo, da

izračunane moči pri drugi meritvi odstopajo od prve in tretje, kljub temu bomo za to meritev

izračunali izkoristek zgolj v informativne namene.

Prvo smo določili deleže difuznega in direktnega obsevanja na horizontalno ravnino ter

višino sonca oz. zenitni kot sonca (z). Zenitni kot sonca smo izračunali kar s splošnim

kalkulatorjem lege Sonca, ki uporablja enake enačbe, kot smo jih navedli. Podatki so zapisani

v preglednici 9. Glede na to, da je bilo vreme jasno pri vseh meritvah, upoštevajoč tiste

odseke meritev, ki jih potrebujemo za izračun izkoristka, lahko za vse odseke izberemo enak

indeks jasnosti kT > 0,75. Po Ogrill in Hollandsovi korelaciji (izraz 12) tako dobimo razmerje

med difuznim in globalnim obsevanjem, ki je enako:

Če vstavimo vrednost za prvi primer, dobimo naslednji rezultat:

Vrednost direktnega sevanja je po enačbi 13 sledeča:

Preglednica 9: Vrednosti obsevanj ter zenitni koti za vse odseke iz slik

Datum / časovni


meritve

Globalno urno

obsevanje

(Wh/m2h)

Direktno urno

obsevanje

(Wh/m2h)

Difuzno urno

obsevanje

(Wh/m2h)

Povprečen

zenitni kot

(°)

18.8.2014 12:20–

12:25

822 676,5 145,5 33,6

8.9.2014 13:50–

13:57 732 602,4 129,6 47,9

14:01–

14:11 724 595,9 128,1 49,5

18.9.2014

13:17–

13:22 608 500,4 107,6 48,5

13:30–

13:38 618 508,6 109,4 49,8

13:50–

13:55 590 485,6 104,4 51,6


- 46 -

Ko imamo podatke o obsevanju in zenitnih kotih, se lahko lotimo računanja povprečnega

urnega obsevanja na poljubno ploskev (enačba 5).

Potrebno je izračunati samo še razmernike (izrazi (6), ( 7), ( 8)) in določiti albedo okolice.

Vrednost kota i (slika 4) dobimo, če od zenitnega kota z odštejemo kot nagiba kolektorja β.

Albedo okolice določimo iz preglednice 1. Izberemo srednjo vrednost za asfalt, ki znaša 0,15.

Razmernik difuznega in odbitega sevanja je za vse izračune enak, saj upošteva le naklonski

kot kolektorja, ki je bil pri vseh meritvah enak. Če vrednosti vstavimo v enačbo za urno

obsevanje, dobimo naslednji rezultat.

Wh/m2h

Izkoristek (enačba (23)) v primeru prve meritve je enak:

Dobili smo relativno majhen izkoristek za prvo meritev glede na to, da je bila na ta dan

vrednost globalnega sevanja bila najvišja. V preglednici 10 izkoristke posamezne meritve

primerjamo z drugimi.


- 47 -

Preglednica 10: Izkoristki

Datum / časovni


meritve

Povprečno urno

obsevanje na SSE (β)

(Wh/m2h)

Povprečen

zenitni kot

(°)

Moč

kolektorja

(W)

Izkoristek

(%)

18.8.2014 12:20–12:25 954,5 33,6 169,2 16

8.9.2014 13:50 –13:57 983,1

47,9 469,2 43*

14:01–14:11 991,4

49,5 530,9 49*

18.9.2014

13:17–13:22 822,6

48,5 231,2 25

13:30–13:38 849,8

49,8 222,1 24

13:50–13:55 830,3

51,6 229,6 25

Iz preglednice 10 je razvidno, da je vrednost povprečnega urnega obsevanja (na kolektor z

naklonskim kotom 30°) pri drugi meritvi večja kljub manjšemu globalnemu sevanju glede na

prvo meritev. Celo pri tretji meritvi, kjer je bilo obsevanje najmanjše, je izkoristek višji kot

pri prvi meritvi. Po teh rezultatih lahko sklepamo, da so na prvo meritev močno vplivale

neugodne vetrovne razmere (hitrost vetra 4,8 m/s) in je posledično prihajalo do velikih izgub s

prestopom toplote. Zaradi tega se notranjost kolektorja ni ogrela na temperaturo, kot bi se ob

normalnih razmerah. Poleg tega pa smo imeli vzpostavljen relativno majhen pretok, kar tudi

ni zanemarljivo pri preračunu moči. Če pogledamo preglednico 5, vidimo, da smo za moč

izračunali vrednost 220,7 W ob pretoku 0,006 l/s, ko pa smo računali moč samo za odsek na

sliki 25, je bila povprečna vrednost za pretok 0,0046 l/s. Posledično smo dobili za 50 W

manjšo moč (169,2 W) ob nespremenjenih ostalih podatkih.

Slika 30: Primerjava izkoristkov

0 5

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

12:20 – 12:25

13:17 – 13:22

13:30 – 13:38

13:50 – 13:57

14:01 – 14:11

izko

rist

ek

(%)

časovni interval (ura:min)

prva meritev

tretja meritev

druga meritev


- 48 -

Na razliko v izkoristkih (slika 30) verjetno vpliva tudi način izvedbe meritve. Torej ni

presenetljivo, da smo največji izkoristek dobili ravno pri drugi meritvi, kjer smo kolektor

predhodno pregrevali in nato vzpostavili pretok. Na sliki 31 vidimo, da je bil pri drugi meritvi

kolektor ogret na 85 °C in je nato oddajal akumulirano toploto. Verjetno bi se v daljšem

časovnem obdobju izkoristek zmanjšal, vendar je o tem težko govoriti. S podaljševanjem

meritve bi se zmanjšalo globalno sevanje tako kot tudi temperatura in kot sevanja, kar bi

imelo vpliv na rezultat. Pri prvi meritvi se je kolektor ogreval najkrajši čas in ni bil predhodno

ogret. Na sliki 30 vidimo tudi, da smo izkoristek računali najbolj zgodaj, ko še ozračje ni tako

ogreto, manjše je tudi sevanje od tal, poleg tega je takrat pihal še močan veter. Ob vseh teh

dejavnikih vrednost izkoristka ni tako majhna, kot se zdi na prvi pogled. Pri tretji meritvi je

kolektor zaradi oblačnosti na začetku meritev potreboval nekoliko več časa, do stabilizacije

temperatur. Sončno sevanje pri tej meritvi je bilo najmanjše kakor tudi temperatura ozračja.

Vrednost izkoristka pa je med prvo in drugo meritvijo. Sklenemo lahko, da smo se realnemu

izkoristku najbolj približali pri prvi in tretji meritvi. Lahko bi bil še celo večji, saj je

temperatura pri tretji meritvi še rahlo naraščala (upoštevajoči odsek), pri prvi pa je močno

nihala zaradi neugodnih vetrovnih razmer (slika 31).

Slika 31: Primerjava temperatur v kolektorju

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

13

27

6

53

8

80

1

10

63

13

26

15

89

18

51

21

17

2

38

0

26

42

29

05

31

67

34

30

36

93

39

55

42

18

44

80

47

43

50

05

52

68

55

31

57

93

60

56

63

18

65

81

68

43

71

06

Tem

pe

ratu

ra (

C)

Čas meritev (s)

1. meritev (18.8.)

2. meritev (8.9.)

3. meritev (18.9.)


- 49 -

8 Diskusija

Pri primerjavi vremenskih podatkov med meritvami smo že ugotovili, da se razlikujejo.

Lahko rečemo, da je bil podoben samo čas (ura) izvajanja meritev. Posledično smo dobili tudi

različne vrednosti izkoristkov kolektorja. Če primerjamo vremenske podatke, vidimo, da je

globalno sončno sevanje pri prvi meritvi približno za 100 W/m2 večje kot pri drugi in za nekaj

več kot 200 W/m2

večje kot pri tretji meritvi (upoštevajoč odseke, ki smo jih uporabili za

izračun izkoristkov). Tudi kot sončnega sevanja je med meritvami različen, pri prvi meritvi

znaša povprečno 56,4 ° medtem ko pri drugi in tretji med 42,1 ° in 38,4 °. Maksimalna razlika

v temperaturah ozračja je bila 4 °C, kar ne predstavlja velike razlike v izgubah za izoliran del

kolektorja, izjema je zasteklitev. Prva meritev se od ostalih dveh razlikuje tudi po vetrovnih

razmerah, saj je ta dan pihal veter z visoko hitrostjo in močnimi sunki. Ugotovili smo tudi, da

na velikost izkoristka močno vpliva pretok vode. To pomeni, da je potrebno izbrati optimalno

vrednost pretoka, ki pa ne sme biti prevelika, saj hitrost vode skozi cev odločilno vpliva na

količino toplote, ki prestopi na medij. Pri drugi meritvi smo se optimalni vrednosti pretoka

vode močno približali, saj smo kljub pretoku 0,012 l/s dosegli povprečno ΔT med vstopom in

izstopom 10 °C oz. 11 °C (tudi na račun oddajanja akumulirane toplote). Zaradi tega smo

posledično dobili višji izkoristek.

8.1. Možnosti uporabe kolektorja

Slika 32: Letna porazdelitev globalnega sončnega sevanja [24]

Z ozirom na meteorološke podatke o povprečnem dnevnem sončnem obsevanju (slika 32),

povprečnem trajanju sončnega obsevanja in temperaturah ozračja (slika 33) bi bila uporaba

kolektorja smiselna od začetka maja pa do konca septembra (pogojno tudi konec aprila).


- 50 -

Slika 33: Povprečne mesečne dnevne temperature in trajanje sončnega obsevanja

(obdobje 1981–2010) [23]

Glede uporabe kolektorja imamo možnost izbire med dvema režimoma, to je kontinuiran ter

saržni način proizvodnje toplote. Predpostavimo, da imamo kolektor priklopljen v sistemu s

prisilnim obtokom z vsemi potrebnimi komponentami. Če bi se odločili za saržni način

delovanja, bi na regulator obtočne črpalke morali priklopiti vsaj dva temperaturna senzorja iz

kolektorja (v notranjosti kolektorja T2 ter na izstopu T3). Ko bi se notranjost kolektorja

ogrela do določene temperature, bi regulator zagnal črpalko in jo izklopil, ko bi voda na

izstopu iz kolektorja imela enako temperaturo kot voda na vrhu hranilnika toplote. Prednost

saržnega režima bi bila višja obratovalna temperatura, ki preprečuje razvoj mikroorganizmov

legineloze (v ceveh). Slabost saržnega načina proizvodnje toplote bi bil slabši prenos toplote

zaradi visokega pretoka, razen če bi pretok bil manjši od tistega, ki smo ga vzpostavili pri prvi

meritvi. Pri meritvi je bila razlika v temperaturi med notranjostjo kolektorja in na izstopu iz

kolektorja skoraj 40 °C, to pomeni, da je bilo veliko toplotne energije neizkoriščene.

Druga možnost uporabe bi bila kontinuirana proizvodnja tople vode s prenosnikom

toplote v hranilniku. Tudi v tem primeru bi bilo potrebno na regulator priklopiti vsaj dva

temperaturna senzorja (T2, T3). Ko bi bila temperatura na izstopu iz kolektorja vsaj 2 °C višja

kot tista na vrhu hranilnika, bi regulator gnal črpalko. Pametno bi bilo, da bi se pretok

uravnaval glede na temperaturo v kolektorju. Višja kot je temperatura, intenzivnejši je prenos

toplote na absorber in večji je lahko pretok. Da je za maksimalni izkoristek pomembna izbira

optimalnega pretoka, smo dokazali pri drugi meritvi. Dobili smo 6 % višji izkoristek

(vremenski pogoji se niso bistveno spremenili) ob pretoku, večjem za 0,0035 l/s ,medtem ko

je bila temperatura na izstopu iz kolektorja manjša za 2,4 °C. Slabost kontinuirane

proizvodnje toplote so nižje temperature vode, zaradi česar je večja možnost, da se razvije

-0,8 0,9

5,3

10,2

15,4 18,6

20,4 19,6

15,1

10,3

4,7

0,4 3,3

6

10,9

15,8

21,1 24

26,3 25,8

21

15,6

8,9

3,9

-3 -3,4

0,3

4,6

9,4 12,7

14,3 13,8

10,1

6

1,1

-3

86 118 148 185

237 242 277 253

191 143

90 6 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

Meseci

(ure

)

Tem

pe

ratu

ra (

C)

Povprečna dnevna temperatura (°C)

Povprečna najvišja dnevna temperatura (°C) Povprečna najnižja dnevna temperatura (°C) Povprečno trajanje sončnega obsevanja (ure)


- 51 -

legioneloza. Rešitev bi bila občasno pregrevanje vode v hranilniku, kar pa zahteva dodatno

energijo. Izključena pa ni niti možnost uporabe kolektorja za predgrevanja tople vode v

gospodinjstvu, kar bi mogoče bila celo najboljša rešitev za njegovo uporabo. S tem bi

prihranili veliko energije in posledično denarja, saj povprečno gospodinjstvo za pripravo tople

vode porabi okrog tretjino celotne energije. Če pa bi zaporedno vezali še en podoben kolektor,

bi to občutno vplivalo na porabo npr. električnega grelnika vode. Spodaj so opisane prednosti

in slabosti uporabe našega kolektorja.

Prednosti: nizka cena – poceni energija, dostopnost vsakemu, potrebe po vzdrževanju

skorajda ni, poraba odpadnih materialov.

Slabosti: obratovanje samo v toplejših mesecih, manjši izkoristek, uporabljeni

nestandardni sestavni deli.

8.2. Izboljšanje naprave

Že tekom meritev smo prišli do ugotovitve, da bi napravo bilo možno še izboljšati in

posledično povečati izkoristek delovanja. Izboljšave se nanašajo na konstrukcijske elemente

oz. absorber. Kot prvo bi bilo potrebno spremeniti lego absorberja, tako da bi nalegal na

hrbtišče kolektorja. Ker je sedaj dvignjen za nekaj mm, na absorber prestopi manj toplote, saj

je mehanizem prenosa toplote s sevanjem oz. prestopom manj intenziven kot pa prenos

toplote s prevodom. Naslednja stvar, ki bi jo spremenili, bi bila izbira absorberja z manjšim

premerom in tanjšo steno. S tem bi povečali omočeno površino cevi in prenos toplote bi se

ponovno povečal. Zaradi tanjše stene cevi bi povečali prevod toplote, ki je pri materialih iz

gume že sam po sebi majhen. Tudi uporaba dvoslojnega okna je dvorezen meč, kljub manjšim

izgubam s prestopom toplote se večja količina sevanja odbije od stekla. Zato bi bila mogoče

bolj smiselna uporaba enoslojne zasteklitve, posledično bi se zmanjšala tudi teža kolektorja.

Tudi za vse konvencionalne kolektorje uporabljajo enoslojno zasteklitev. Kljub vsem

spremembam verjetno ne bi drastično spremenili izkoristka, ki je, kot smo videli, odvisen tudi

od vremenskih razmer. Kljub vsemu bi bila raba kolektorja vsekakor racionalna. Glede na

strošek izdelave bi se nam investicija hitro povrnila.


- 52 -

9 Zaključek

Z zadovoljstvom lahko povem, da nam je z nekaj znanja in nacdušenja uspelo narediti

napravo, ki je funkcionalna in okolju prijazna obenem, saj je kolektor izdelan iz odpadnih

materialov in za delovanje ne potrebuje veliko energije. Z njegovo uporabo smo dodali

majhen delček k OVE, ki dobivajo vedno večjo veljavo. S tem smo dokazali, da lahko skoraj

vsak z nekaj volje in znanja pripomore k čistejšemu okolju. Prepričan sem, da bi kolektor brez

problema lahko uporabili tam, kjer zahteve po topli vodi niso velike oz. je poraba majhna. To

je npr. na kakšnem vikendu ali počitniški hiši ipd.

Moramo se zavedati, da je vsak W, ki ga pridobimo na tak način, pomemben, saj cene

fosilnih goriv vztrajno rastejo praktično vsak dan. Tudi ljudje so veliko bolj ozaveščeni o

uporabi in pomembnosti OVE kot kdajkoli prej, zato ni presenetljivo, da trg z OVE nenehno

raste in se razvija. V prihodnosti bodo OVE verjetno predstavljali poglavitni vir energije, zato

je razvoj še kako pomemben.

Ob pisanju te diplomske naloge smo se odločili, da bomo nadaljevali z raziskovanjem

na tem področju in poskusili še izboljšati delovanje kolektorja.


- 53 -

Viri in literatura

[1] Hribernik Aleš. Obnovljivi viri energije. Maribor : Fakulteta za strojništvo, 2010.

[2] Energetika marketing. Priročnik za ogrevanje. Ljubljana : Energetika marketing, 2006.

[3] Medved Sašo, Arkar Ciril. Energija in okolje: obnovljivi viri energije. Ljubljana:

Zdravstvena fakulteta, 2009.

[4] Kraut Bojan. Krautov strojniški priročnik, 14. slovenska izdaja / izdajo pripravila

JožePuhar, Jože Stropnik. Ljubljana : Littera picta, 2003.

[5] Steeby Donald. Alternative Energy : Sources and Systems. Clifton Park: Delmar,

Cengage Learning, 2012.

[6] Medved Sašo, Novak Peter. Varstvo okolja in obnovljivi viri energije. Ljubljana :

Fakulteta za strojništvo, 2000.

[7] Laughton Chris. Solar Domestic Water Heating : The Earthscan Handbook for

Planning, Design and Installation. London; Washington : Earthscan, 2010.

[8] Volker Quaschning. Renewable energy and climate change. Chichester : J. Wiley &

Sons, 2010

[9] Babuder Maks, Andreja Urbančič. Obnovljivi viri energije v Sloveniji / Renewable

Energy Sources in Slovenia. Celje : Fit Media, 2009.

[10] Biotherm [svetovni splet]. Biotherm. Dostopno na WWW:

http://www.biotherm.si/cms/node/100 [10.4.2014].

[11] Skeptics Corner [svetovni splet]. Dostopno na WWW: http://jer

skepticscorner.blogspot.com/2011/05/next-to-nothingand-more.html [23.4.2014].

[12] Wikipedija prosta enciklopedija [svetovni splet]. Slika spekter sončnega sevanja.

Dostopno na WWW: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Solar_Spectrum.png [2.5.2014].

[13] PV Portal Slovenski portal za fotovoltaiko. [svetovni splet]. Sliki Sončno obsevanje v

Sloveniji in ekliptični diagram. Dostopno na WWW: http://pv.fe.uni-lj.si/Welcome.aspx

[29.4.2014].

[14] altE store [svetovni splet]. Slika hranilnik toplote. Dostopno na WWW:

http://www.altestore.com/store/Solar-Water-Heating/Solar-Water-Tanks/Tanks-WITH-Heat-

Exchangers/Stiebel-Eltron-82-Gallon-Solar-Hot-Water-Tank-with-Heat-Exchanger/p11147/

[3.5.2014].

[15] RES, LLC [svetovni splet]. Slika kolektorja. Dostopno na WWW:

http://www.resusallc.com/solarwater.htm [15.5.2014].

[16] Volker Quaschning – Renewable Energy and Climate Protection [svetovni splet].

http://www.biotherm.si/cms/node/100

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Solar_Spectrum.png

http://pv.fe.uni-lj.si/Welcome.aspx

http://www.altestore.com/store/Solar-Water-Heating/Solar-Water-Tanks/Tanks-WITH-Heat-Exchangers/Stiebel-Eltron-82-Gallon-Solar-Hot-Water-Tank-with-Heat-Exchanger/p11147/

http://www.altestore.com/store/Solar-Water-Heating/Solar-Water-Tanks/Tanks-WITH-Heat-Exchangers/Stiebel-Eltron-82-Gallon-Solar-Hot-Water-Tank-with-Heat-Exchanger/p11147/

http://www.resusallc.com/solarwater.htm


- 54 -

Dostopno na WWW: http://www.volker-quaschning.de/articles/fundamentals4/index_e.php

[15.5.2014].

[17] Skeptic Corner [svetovni splet]. Dostopno na WWW: http://jer-

skepticscorner.blogspot.com/2011/05/next-to-nothingand-more.html [29.4.2014].

[18] Hidria [svetovni splet]. Dostopno na WWW: http://si.hidria.com/si/klima/ove/

[15.5.2014].

[19] Renewable heat and cold production [svetovni splet]. Dostopno na WWW:

http://www.new4old.eu/guidelines/D6_Part2_H5.html [20.5.2014].

[20] Small Scale Renewables in Rural Locations [svetovni splet]. Dostopno na WWW:

http://www.esru.strath.ac.uk/EandE/Web_sites/09-

10/Rural_renewables/Methodology_EnergyDemand_DataEstimation.html [14.5.2014].

[21] NetGreen Heat [svetovni splet]. Dostopno na WWW:

http://www.netgreensolar.com/netgreen_heat_promo/body/netgreen_system.html [14.5.2014].

[22] Solar Trader [svetovni splet]. Dostopno na WWW:

http://www.solartrader.ca/What_is_azimuth [29.4.2014].

[23] ARSO [svetovni splet]. Agencija republike Slovenije za okolje. Dostopno na WWW:

http://www.arso.gov.si/vreme/napovedi%20in%20podatki/vreme_avt.html

[24] Grobovšek Bojan. Solarni sistemi za ogrevanje in pripravo tople vode v NEH in PH

[svetovni splet]. Dostopno na WWW: http://gcs.gi-

zrmk.si/Svetovanje/Clanki/Grobovsek/PT237.htm [18.6.2014]

[25] Wikipedija prosta enciklopedija [svetovni splet]. Legioneloza. Dostopno na WWW:

http://sl.wikipedia.org/wiki/Legioneloza

http://www.volker-quaschning.de/articles/fundamentals4/index_e.php

http://jer-skepticscorner.blogspot.com/2011/05/next-to-nothingand-more.html

http://jer-skepticscorner.blogspot.com/2011/05/next-to-nothingand-more.html

http://si.hidria.com/si/klima/ove/

http://www.new4old.eu/guidelines/D6_Part2_H5.html

http://www.esru.strath.ac.uk/EandE/Web_sites/09-10/Rural_renewables/Methodology_EnergyDemand_DataEstimation.html

http://www.esru.strath.ac.uk/EandE/Web_sites/09-10/Rural_renewables/Methodology_EnergyDemand_DataEstimation.html

http://www.netgreensolar.com/netgreen_heat_promo/body/netgreen_system.html

http://www.solartrader.ca/What_is_azimuth

http://www.arso.gov.si/vreme/napovedi%20in%20podatki/vreme_avt.html

http://gcs.gi-zrmk.si/Svetovanje/Clanki/Grobovsek/PT237.htm

http://gcs.gi-zrmk.si/Svetovanje/Clanki/Grobovsek/PT237.htm

http://sl.wikipedia.org/wiki/Legioneloza


- 55 -

Kazalo preglednic:

Preglednica 1: Albedo okolice za različne površine [6] ...................................................... - 11 -

Preglednica 2: Deleži globalnega sevanja ob različnih vremenskih pogojih ...................... - 12 -

Preglednica 3: Prikaz porabe vode za posamezne aktivnosti [20] ...................................... - 18 -

Preglednica 4: Uporabljeni materiali za izdelavo kolektorja, njihov namen ter cena ......... - 27 -

Preglednica 5: Povprečni rezultati prve meritve.................................................................. - 38 -

Preglednica 6: Povprečni rezultati druge meritve................................................................ - 40 -

Preglednica 7: Povprečni rezultati tretje meritve ................................................................ - 43 -

Preglednica 8: Primerjava meteoroloških podatkov in izračunane moči med meritvami ... - 44 -

Preglednica 9: Vrednosti obsevanj ter zenitni koti za vse odseke iz slik ............................ - 45 -

Preglednica 10: Izkoristki .................................................................................................... - 47 -


- 56 -

Kazalo slik:

Slika 1: Skica sistema s solarnim kolektorjem za ogrevanje sanitarne vode......................... - 3 -

Slika 2: Prikaz primarne rabe energije v svetovnem merilu za leto 2010 [17] ..................... - 5 -

Slika 3: Spekter sončnega sevanja [12] ................................................................................. - 6 -

Slika 4: Tipične relacije med Zemljo in Soncem [22] ........................................................... - 8 -

Slika 5: Primer ekliptičnega diagrama [13] ........................................................................... - 8 -

Slika 6: Globalno letno obsevanje na horizontalno površino v Sloveniji [13] ...................... - 9 -

Slika 7: Relacije med soncem in kolektorjem za izračun razmernikov [6] ......................... - 10 -

Slika 8: Učinkovitost različnih SSE, glede na razliko temperature med absorberjem in okolico

[21] ...................................................................................................................................... - 15 -

Slika 9: Sistem za ogrevanje sanitarne vode s konvencionalnim virom dogrevanja [18] ... - 16 -

Slika 10: Sestavni deli SSE [15] .......................................................................................... - 16 -

Slika 11: Tipičen HT v prerezu s priključki [14]................................................................. - 19 -

Slika 12: Možnost priključitve varnostnih elementov v sistem [19] ................................... - 21 -

Slika 13: Prikaz toplotnih tokov v SSE [7] ......................................................................... - 23 -

Slika 14: Tipične vrednosti izkoristka kolektorja pri različnih temperaturnih razlikah in

obsevanjih [15] ................................................................................................................... - 25 -

Slika 15: Absorber, zavit v spiralo, absorber, zavit v kačo, ter absorber z dvižnim in

povratnim vodom ................................................................................................................. - 28 -

Slika 16: Tloris kolektorja ................................................................................................... - 29 -

Slika 17: Prerez kolektorja .................................................................................................. - 29 -

Slika 18: Sestavni deli kolektorja ........................................................................................ - 30 -

Slika 19: Skica merilne proge .............................................................................................. - 31 -

Slika 20: Termoelement (T1) ter merilec pretoka (PR) pred vstopom vode v kolektor ...... - 32 -

Slika 21: Termoelement (T2) ter terminalni blok (T4) na levi strani .................................. - 32 -

Slika 22: Termoelement (T3) v ozadju T1, PR in TB ......................................................... - 33 -

Slika 23: Izračun dolžin za postavitev SSE ......................................................................... - 34 -

Slika 24: Kolektor, postavljen pod kotom 30° in obrnjen proti jugu .................................. - 35 -

Slika 25: Potek pretoka in temperatur – meritev 1 .............................................................. - 37 -



Slika 28: Simulacija oblačnosti ........................................................................................... - 42 -

Slika 29: Odzivnost kolektorja na oblačnost ....................................................................... - 43 -


- 57 -

Slika 30: Primerjava izkoristkov ......................................................................................... - 47 -

Slika 31: Primerjava temperatur v kolektorju...................................................................... - 48 -

Slika 32: Letna porazdelitev globalnega sončnega sevanja [24] ......................................... - 49 -

Slika 33: Povprečne mesečne dnevne temperature in trajanje sončnega obsevanja (obdobje

1981–2010) [23] .................................................................................................................. - 50 -


- 58 -

Priloga 1: Odseki grafov iz slik za izračun izkoristka


- 59 -

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0 5

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

14

95

1

50

7

15

19

1

53

2

15

44

1

55

6

15

68

1

58

0

15

93

1

60

5

16

17

1

62

9

16

41

1

65

4

16

66

1

67

8

16

90

1

70

2

17

15

1

72

7

17

39

1

75

1

17

64

1

77

6

17

88

1

80

0

18

12

pre

tok

(l/s

)

tem

pe

ratu

ra (

°C)

čas (s)

Odsek iz slike 22 (1. meritev)

T4 temrblok T1 vstop T3 izstop T2 komora pretok (l/s)

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0 5

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

56

40

56

59

56

77

56

95

57

14

57

32

57

50

57

69

57

87

58

05

58

24

58

42

58

60

58

79

58

97

59

15

59

34

59

52

59

70

59

88

60

07

60

25

pre

tok

(l/s

)

tem

pe

ratu

ra (

°C)

čas (s)

Prvi odsek iz slike 23 (2. meritev)

T4 termblok T1 vstop T3 izstop T2 komora pretok (l/s)

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0 5

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

62

75

63

06

63

36

63

67

63

98

64

28

64

59

64

89

65

20

65

50

65

81

66

11

66

42

66

72

67

03

67

33

67

64

67

94

68

25

68

55

68

86

pre

tok

(l/s

)

tem

pe

ratu

ra (

°C)

čas (s)

Drugi odsek iz slike 23 (2. meritev)



- 60 -

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0 5

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

40

03

40

21

40

40

40

58

40

76

40

94

41

13

41

31

41

49

41

68

41

86

42

04

42

23

42

41

42

59

42

78

42

96

43

14

pre

tok

(l/s

)

tem

pe

ratu

ra (

°C)

čas (s)

Prvi odsek iz slike 24 (3. meritev)


0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0 5

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

48

58

48

82

49

07

49

31

49

56

49

80

50

04

50

29

50

53

50

78

51

02

51

27

51

51

51

75

52

00

52

24

52

49

52

73

52

98

pre

tok

(l/s

)

tem

pe

ratu

ra (

C)

čas (s)

Drugi odsek iz slike 24 (3. meritev)


0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0,045

0,05

0 5

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

60

24

60

42

60

61

60

79

60

97

61

16

61

34

61

52

61

71

61

89

62

07

62

26

62

44

62

62

62

81

62

99

63

17

pre

tok

(l/s

)

tem

pe

ratu

ra (

C)

čas (s)

Tretji odsek iz slike 24 (3. meritev)



- 61 -

Priloga 2: Tehnične karakteristike pretokomera


- 62 -

SOLARNI KOLEKTOR ZA OGREVANJE SANITARNE VODE · Če želi Evropa doseči 50-odstoten delež pri...

Documents

Transcript of SOLARNI KOLEKTOR ZA OGREVANJE SANITARNE VODE · Če želi Evropa doseči 50-odstoten delež pri...