kolektory_sloneczne.pdf

(192 KB) Pobierz
Określenie użytecznej energii uzyskiwanej przy pomocy kolektoró
Adrian TRZĄSKI
Aleksander PANEK
Politechnika Warszawska
OKREŚLANIE EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ KOLEKTORÓW
SŁONECZNYCH
Powszechność stosowania kolektorów słonecznych wymaga dostarczenia
projektantom opisów metod i procedur obliczeniowych, które pozwolą na dokładną
analizę zagadnień energetycznych związanych z ich stosowaniem. Wytyczne
projektowe udostępniane przez producentów korzystają z zagregowanych wartości i
często odnoszą się jedynie do kilku orientacji i lokalizacji. Coraz bardziej
zaawansowane rozwiązania architektoniczne wymagają stosowania dokładniejszych
metod obliczeniowych. W niniejszej pracy przedstawiono metodę obliczeń na
podstawie której opracowano arkusz kalkulacyjny SOLAT pozwalający na określenie
uzyskiwanego ciepła i efektywności inwestycji dla różnych lokalizacji i dowolnej
orientacji kolektora.
1. SZACOWANIE ILOŚCI PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO
DOCIERAJĄCEGO DO DOWOLNIE ZORIENTOWANEJ POWIERZCHNI
1.2 Metoda Liu-Jordana
Metoda Liu-Jordana umożliwia obliczenie średniego dziennego promieniowania
słonecznego padającego na powierzchnię dowolnie zorientowaną, na podstawie danych dla
powierzchni poziomej. Metoda ta zakłada, że na energię odbieraną przez powierzchnię
pochyloną składają się trzy elementy: promieniowanie bezpośrednie, promieniowanie
rozproszone izotropowe, promieniowanie rozproszone odbite od powierzchni Ziemi.
Zdolność powierzchni do odbierania poszczególnych składowych promieniowania
słonecznego w różnym stopniu zależy jej orientacji i pochylenia. Dzieje się tak z uwagi na
fakt, iż w zależności od rozpatrywanej składowej promieniowania słonecznego zmienia się
źródło promieniowania, którym może być tarcza słoneczna, nieboskłon lub powierzchnia
Ziemi.
Uwzględniając powyższe zależności wartości napromieniowania całkowitego
pochylonej powierzchni można obliczyć na podstawie wzoru:
H
H
R
H
1
cos
i
H
1
cos
(1)
T
,
i
b
,
i
b
,
i
d
,
i
i
2
g
,
2
gdzie:
H , - średnie dzienne bezpośrednie promieniowanie słoneczne padające na poziomą
i
powierzchnię dla i-tego miesiąca, MJ/m 2 /d,
H , - średnie dzienne dyfuzyjne promieniowanie słoneczne padające na poziomą
powierzchnię dla i-tego miesiąca, MJ/m 2 /d,
i
H - średnie dzienne całkowite promieniowanie słoneczne padające na poziomą
powierzchnię dla i-tego miesiąca (wartość z pomiarów), MJ/m 2 /d,
g,i - albedo, współczynnik refleksyjności gruntu dla i-tego miesiąca,
R ,
i
- współczynnik korekcyjny dla promieniowania bezpośredniego dla i-tego miesiąca.
1.3 Zależności geometryczne
W obliczeniach, pozycję Słońca, określa się za pomocą kątów w układzie
horyzontalnym, kątów określających położenie Ziemi i jej osi obrotu względem Słońca..
Na rysunku 1 przedstawiono ważniejsze kąty wykorzystywane do obliczeń
promieniowania.
Rys. 1 Kąty w układzie Słońce – odbiornik promieniowania słonecznego [4]
Fig. 1 Geometrical relations of Sun – collector model [4]
Ponadto w obliczeniach uwzględniana jest szerokość geograficzna  obiektu oraz
deklinacja słoneczna  – czyli kątowe położenie Słońca w południe astronomiczne
b
d
i
b
457144996.009.png 457144996.010.png 457144996.011.png
względem płaszczyzny równika. W celu uzyskania prawidłowych wyników niezbędne jest
wyrażanie oznaczonych kątów w radianach.
1.4 Współczynnik przejrzystości atmosfery
Do przeprowadzenia obliczeń niezbędna jest znajomość średnich udziałów
składowych bezpośredniej i dyfuzyjnej promieniowania słonecznego dla analizowanych
miesięcy. Najczęściej nie dysponujemy odpowiednimi danymi pomiarowymi dla danej
lokalizacji. Wartości te można obliczyć na podstawie znajomości współczynnika
przejrzystości atmosfery K T . Wartość średnią tego współczynnika przy badaniu okresów
miesięcznych można określić na podstawie następującej zależności, [4][4]:
K
,
H
i
(2)
T
i
H
o
,
i
H , oznacza średnią miesięczną wartość
nasłonecznienia dla płaszczyzny równoległej do powierzchni Ziemi i zlokalizowanej na
Pojawiający się w tym wzorze symbol
i
zewnątrz atmosfery. Przy obliczeniach wykonywanych dla pełnych miesięcy posługujemy
się deklinacją charakterystyczną dla danego miesiąca, określoną dla tzw. dni
rekomendowanych. Numery dni rekomendowanych dla poszczególnych miesięcy zostały
przedstawione w tabeli 1.
Tabl. 1 Porządkowe numery dni rekomendowanych dla poszczególnych miesięcy [4]
Tabl. 1 Ordinal numbers of recommended days [4]
Lp.
miesiąc
porządkowy
numer dnia
rekomendowanego
Lp.
miesiąc
Porządkowy
numer dnia
rekomendowanego
1
styczeń
17
7
lipiec
198
2
luty
47
8
sierpień
228
3
marzec
75
9
wrzesień
258
4
kwiecień
105
10 październik
288
5
maj
135
11
listopad
318
6
czerwiec
162
12
grudzień
344
Średnią wartość nasłonecznienia dla płaszczyzny równoległej do powierzchni Ziemi i
zlokalizowanej na zewnątrz atmosfery można określić na podstawie zależności [4]:
H
,
 (3)
86400
G
1
0
033
cos
2
n
i
  
sin
cos
cos
sin
sin
o
i
sc
365
s
i
i
s
,
i
i
gdzie:
457144996.012.png
n i – numer rekomendowanego dnia dla i-tego miesiąca,
s,i – kat godzinowy wschodu słońca dla rekomendowanego dnia i- tego miesiąca.
i – deklinacja dla rekomendowanego dnia i-tego miesiąca, rad.
Wartości nasłonecznienia dla zlokalizowanej na zewnątrz atmosfery płaszczyzny
równoległej do powierzchni Ziemi, znajdującej się nad Warszawą, dla dni
rekomendowanych zostały przedstawione na rysunku 2.
50
40
30
20
10
0
I II III IVVVI VIIVIII IXXXI XII
miesiąc
Rys.2 Wartości nasłonecznienia dla zlokalizowanej na zewnątrz atmosfery płaszczyzny
równoległej do powierzchni Ziemi, znajdującej się nad Warszawą.
Fig. 2 Values of the density of solar flux on the vertical plane out of the atmosphere,
located above Warsaw
1.5 Dyfuzyjna i bezpośrednia składowa promieniowania słonecznego
Dysponując średnimi miesięcznymi wartościami współczynnika przejrzystości
atmosfery można obliczyć wartość składowej dyfuzyjnej promieniowania słonecznego na
podstawie następujących zależności:
dla

s
81
,  
H
,
i
H
1
391
K
3
56
K
 
4
189
K
2
137
(4)
180
d
i
i
T
,
i
T
,
T
,
dla

s
81
H
,
i
H
1
311
K
3
022
K
3
427
K
 
1
821
(5)
d
i
i
T
,
T
,
T
,
180
,
Składową bezpośrednią jest różnicą promieniowania całkowitego i obliczonej
wartości dyfuzyjnego promieniowania padającego na poziomą powierzchnię:
H
b H
(6)
H
i
d
,
Przykładowo dla Warszawy wartości średnie dziennego promieniowania
dyfuzyjnego i bezpośredniego padającego na powierzchnię gruntu zostały przedstawione
na rysunku 3.
,
i
,
i
i
,
i
i
457144996.001.png 457144996.002.png 457144996.003.png 457144996.004.png 457144996.005.png
10,00
10,00
9,00
9,00
8,00
8,00
7,00
7,00
6,00
6,00
5,00
5,00
4,00
4,00
3,00
3,00
2,00
2,00
1,00
1,00
0,00
0,00
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
miesiące
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
miesiące
a)
b)
Rys. 3 Wartości składowej dyfuzyjnej a) i bezpośredniej b) średniego dziennego
promieniowania padającego na poziomą powierzchnię dla Warszawy.
Fig. 3 Values of diffusive a) and direct b) densities of solar flux incident on ground level in
Warsaw
1.6 Zależność dziennego nasłonecznienia powierzchni od orientacji
Stosunek nasłonecznienia dziennego na dowolnie zorientowaną powierzchnię
pochyloną do nasłonecznienia na powierzchnię poziomą, wyraża się w postaci
współczynnika korekcyjnego dla promieniowania bezpośredniego [4][4].:
dla

ss
,
i
sr
,
i
R ,    
b
i
i
sin 
 
i
sin
cos
cos
sin
cos
ss
,
i
sr
,
(7)
cos 
 
i
   
cos
sin
sin
cos
sin
ss
, sin
i
sr
,
i
 
 
i
sin
sin
 
cos
ss
, cos
sr
,
i
/
 
2
cos
 sin
cos
i
sin
s
,
s
,
i
sin
i
dla

ss
,
i
sr
,
i
R ,   
b
i
i
sin 
 
i
sin
cos
cos
sin
cos
 
ss
,
s
,
(8)
cos 
 
i
  
cos
cos
sin
sin
cos
 
sin
ss
, sin
i
s
,
i
   
cos 
 
i
sin
sin
 
cos
ss
, cos
i

s
,
i
i
sin 
 
i
sin
cos
cos
sin
cos
s
,
sr
,
cos 
 
i
   
cos
sin
sin
cos
sin
s
, sin
i
sr
,
i
 
cos 
 
i
sin
sin
 
cos
s
, cos
i
sr
,
i
/
 
2
cos
 sin
cos
i
s
,
i
s
,
i
sin
i
gdzie:
sr,i - kąt godzinowy wschodu słońca na powierzchnię pochyloną obliczony dla
rekomendowanego dnia i-tego miesiąca, rad,
ss,i - kąt godzinowy zachodu słońca na powierzchnię pochyloną obliczony dla
rekomendowanego dnia i-tego miesiąca, rad.
cos
cos 
i
i
i
i
cos
sin
457144996.006.png 457144996.007.png 457144996.008.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin