Оглавление

Калорифер на солнечной энергии из пивных банок

Протокол испытаний (сокращенная версия)

Роберт Берназ

апрель 2010

biosolar.hu

robert@biosolar.hu

Введение. Идея проекта

В настоящее время существует значительное количество предположений и гипотез о использовании солнечной энергии, поэтому я хотел бы прояснить, что такое калорифер на солнечной энергии с противоударными панелями в металлическом корпусе.

Что я имею в виду под калорифером на солнечной энергии с противоударными панелями в металлическом корпусе. Ответ прост — это воздухонепроницаемая солнечная панель достаточно прочная для крепления на стенах или со специальным усилением для крепления на крыше под углом: т.е. Золотой стандарт для этой категории. Я знаю, что каждый дом, где используется коллектор на солнечной энергии, в каком-то роде уникален, а если строители выполняют все правила, то в итоге такие дома не сильно отличаются друг от друга.

С этой целью я решил построить и проверить такой калорифер. Важны не только сами по себе солнечные панели, а также и рабочие условия. Если рабочие условия оптимальны, а солнечные панели хорошего качества, то эксперимент обеспечит верхний предел для такого калорифера.

Чтобы обеспечить максимальное качество, следует гарантировать следующие условия:

а) В обогреваемой комнате должна быть как можно более низкая температура. Мы увидим, что поддержание низкой температуры коллектора помогает добиться высоких показателей качества. Большие окна, выходящие на юг, могут быть причиной перегрева, увеличивая потери тепла. Поэтому я постарался выбрать комнату с маленькими окнами, выходящими на юг, и отключил обычную систему отопления. В течение 100 дней тестирования в комнате средняя температура воздуха составляла 18° С.

в) Поток воздуха, поступающего в комнату, должен быть увеличен до приемлемого максимального значения. Поступающий воздух охлаждает абсорбер, таким образом, поддерживая его высокую эффективность.

с) Солнечные панели должны находиться на южной стороне здания под углом 60° к горизонту. Такое положение дает максимальную эффективность (кпд) в нашей географической полосе.

При соблюдении этих трех вышеприведенных критериев коэффициент передачи панели близок к максимуму, который может быть у данного типа калориферов. Если вы планируете установку панелей, то данную величину следует учитывать при расчетах.

Информация об измерениях с 1 февраля по 18 апреля 2010 г. (половина отопительного сезона) опубликована на сайте
biosolar.hu (http://biosolar.hu/gallery/14).

Строим коллектор

Я собрал всю доступную информацию об этом типе воздухосборника и купил все рекомендованные материалы.

Позже я принял интересное предложение от Сообщества производителей солнечных панелей из пивных банок в Венгрии. Им нужно было место для строительства коллектора, который планировалось показать на венгерском кабельном телевидении. Канал транслировал специальные отчеты, которые пользовались популярностью. Поэтому я согласился установить коллектор, разработанный специалистами этого сообщества.

Видео на венгерском

Несколько иллюстраций процесса производства


Рис. 1. На проволоке, проходящей по диагонали, укреплен датчик температуры на входе и выходе.


Рис.2. Пивная банка и система разветвлений


Рис. 3. Инструмент для разрезания банок и удаления неровностей

Рис. 4. Соединение банок для формирования канала


Рис. 5. Каналы из банок склеиваются теплоустойчивым клеем, образуя коллекторную плиту.


Рис. 6. Покрытие абсорбера специальным покрытием, поглощающем солнечную энергию


Рис. 7. Воздухоприемник, фильтр, вентилятор и контроллер в комнате.


Рис. 8. Тепловая изоляция и тепловое зеркало в стекловолоконном коробе


Рис. 9. Задняя часть коллектора, воздуховод и точки подачи тепла внутрь здания


Рис. 10.Солнечная панель в конечном положении на крыше

Матераилы, используемые в проекте

SOLKOTE, поглощающей солнечную энергию

Рис. 11. Размеры

Размеры, направление и размещение солнечных панелей.


Размеры:

Габаритные размеры: 2.03m x 1.04m = 2.11m2

Чистый размер 0.86m x 1.85m = 1.6m2

Диаметр воздухоприемника и воздуховыпускного отверстия 125mm

Ориентация

Направление 0° на юг

Угол наклона: 60° к горизонту

Установка на наклонной крыше — без затенения

Размещение

Координаты GPS

N (север) 47 30'33.62''

E (восток) 18 55'14.63''

Высота 227 м

Экспериментальная установка и процедуры измерения


Рис. 12 — экспериментальная установка

Сенсоры:

Tout [°C] — температура воздуха на выходе коллектора

Tin [°C] — температура воздуха, поступающего в коллектор

Tair [°C] – температура воздуха окружающей среды

Tbox, [°C] — температура воздуха в коллекторе

Troom [°C] — температура воздуха в комнате

Tenter [°C] — температура воздуха, поступающего в комнату

Texit [°C] - температура воздуха в коллекторе

I [W/m2] - энергетическая экспозиция суммарного излучения перпендикулярного к горизонту (пиранометр)

H [RH%] - относительная влажность воздуха окружающей среды

P [hPa] — атмосферное давление

M [kg/s] - поток воздуха (вычисляется при разном атмосферном давлении)

Efan [Wh] — использование вентилятора

Eheat [Wh] — использование электрического калорифера

Собираемая информация сохраняется ежеминутно и ежедневно от восхода до заката. Не требуется более частое взятие проб из-за медлительности тепловых процессов.

При накоплении объема информации на компьютере и коллекторе происходит ее фильтрация и обработка. Вычисления в реальном времени обеспечивают мгновенные вторичные полные показания для отображения функций управления.

Электронные таблицы и графика отображают информацию:

- в реальном времени

- информацию за день

- информацию за неделю

- информацию за месяц

Данные в реальном времени полностью отличается от отфильтрованной и обработанной информации. Они не подходят для вычисления эффективности (кпд) коллектора и всей установки.

Тепловая эффективность вычисляется разными способами:

1. Мгновенная эффективность (кпд)

Это значение, представленное на графике за день красной линией, показывает мгновенный процент выхода тепловой энергии панели, которая получена от энергетической экспозиции суммарного излучения перпендикулярной аперктуре коллектора (в январе обычно 40% моментальной эффективности (кпд)).

2. Эффективность (кпд) за день

КПД солнечной панели за день сравнивается с общим суммарным излучением за день перпендикулярно апертуре (от восхода до заката)

3. Эффективность (кпд) за неделю

КПД солнечной панели за неделю сравнивается с общим суммарным излучением за неделю перпендикулярно апертуре

4. Эффективность (кпд) за месяц

КПД солнечной панели за месяц сравнивается с общим суммарным излучением за месяц перпендикулярно апертуре

Знание значения моментального кпд может помочь усовершенствовать солнечный коллектор, а кпд за день показывает как много энергии мы можем получить от такой конструкции, что важно при вычислении кпд коллектора.

Типовые ошибки.

Студент, изучающий естественные науки и использующий некорректную информацию в 70% (как указано на форуме производителей калориферов) написал даже более плохое заключение: Если эффективность коллектора составляет 70%, а общая солнечная радиация составляет Q kWh/m2 в зимний период, то кпд коллектора должно составлять 0.7xQ kWh/m2. Он также основывал свои вычисления на некорректных данных о сроках окупаемости.

Примечание: Проведя измерения в течение 100 дней, я могу сказать, что максимальная эффективность коллектора за весь отопительный сезон составляет 30%.

Заключение

КПД за день и его связь с температурой окружающей среды

В период проверки общая радиация, тепловой кпд солнечного коллектора и температура окружающей среды измерялись от рассвета до заката наряду с другими параметрами. Вычисленные из общей радиации и теплового кпд эффективность и средняя температура окружающей среды (Td_air) показаны на следующем ниже графике. Уравнение линейной регрессии показывает эффективность коллектора, связанную с температурой воздуха вне помещения.

Дневная эффективность [%] = 29.5 + 0.73 x Td_air


Рис. 11 Температурная зависимость дневного кпд

Расшифровка надписей на графиках:

Temperature dependence of Daily Efficiency – температурная зависимость дневного кпд

Daily Efficiency - дневной кпд

Avg Air Temperature in daytime – средняя температура воздуха днем

Daily Efficiency — Tendency – дневной кпд — тенденции.

Дневная эффективность солнечного калорифера из пивных банок при ориентации его на юг и наклоне в 60° может быть вычислена из уравнения. Конечно, если уровень солнечного освещения ниже минимального, эффективность ровна 0.

Дневная эффективность (кпд) при температуре окружающего воздуха 0° С составляет 30%.

Дневная эффективность (кпд) при температуре окружающего воздуха 15° С составляет 45%.

Вычисленные параметры не будут точно соответсовать ежедневной информации (смотри электронные таблицы в приложении), т.к. приближение основывается на долгосрочной статистике.

Сравнение эффективности трех типов солнечных коллекторов по характеристикам за зимний период

Два собственника отопительных солнечных систем в Венгрии (у одного из них система из плоских панелей, а у другого — из вакуумных труб) регулярно публикуют данные о тепле, производимом их системами. Я обозначил данные по коэффициентам как 1 и 2, чтобы показать на одном графике. Разметка оси времени начинается с 1 января, а три кривые представляют дневные параметры воздуха у коллекторов с плоской панелью и из вакуумных труб. Две цифры в этих параметрах представляют общую площадь и площадь сечения солнечных коллекторов (кв.м)

Данные серии

Солнечная радиация (1/1)

Вакуумная трубка (19/9.6)

Плоская панель (8/7.2)

Воздушный коллектор (2/1.6)


Рис. 14. Сравнение эффективности трех типов солнечных коллекторов по характеристикам за зимний период

Расшифровка надписей на графиках

Weekly Gain/ Net area – недельный кпд/ площадь сечения

Weekly gain - недельный кпд

желтая линия — общая солнечная радиация / 1м2

зеленая линия — плоская панель (Wg/площадь поглощения)

красная линия — тип воздуха (WG/ площадь поглощения)

синяя линия — вакуумные трубки (WG/ площадь поглощения)

Weekly Gain/ Gross area – недельный кпд/ общая площадь

Days from January 1 — дни начиная с 1 января

Я знаю, что системы находятся на расстоянии 200 км друг от друга, следовательно, солнечная радиация слегка отличается. Но разница не должны вызвать значительных отклонений от теоретических значений.

Следует сказать, что одинаковое количество солнечной радиации падает на каждый квадратный метр поверхности коллектора за период тестирования (без учета дневных отклонений). Графики очень поучительны и показывают, что самодельный коллектор из пивных банок обеспечивает такое же количество тепла, что и самые дорогие системы с вакуумными трубками.

На графиках представлена только половина зимнего периода, но весьма вероятно, что предыдущие три месяца покажут такую, же тенденцию.

В остальной период года характеристики калорифера равны 0, т.к. не требуется обогрев помещения и вентилятор отключен.

Примечание: Обратите особое внимание, если вы собираетесь установить подобную систему у себя дома.

Приложения

Измерения (с 1 января по 18 апреля 2010 г)

Потери тепла солнечной радиации

Прошлая ночь показала, что сегодня будет облачно. При ясной погоде температура в коллекторе падает на 4° ниже температуры окружающей среды из-за потери тепла.

Спустя час, небо покрывается облаками, и разница температур исчезает. Облака блокируют тепловую радиацию из коллектора и, следовательно, абсорбер нагревается до температуры воздуха вне помещения.


Рис. 15. Феномен тепловой потери радиации

Расшифровка надписей

Radiative Heat-loss – тепловые потери радиации

красная линия - внутри помещения

зеленая линия — вне помещения

синяя линия — воздух

вертикальная ось — температура в ° С, горизонтальная — время

На основе данного явления мы можем произвести некоторые вычисления:

В состоянии равновесия тепло, покидающее абсорбер через радиацию за единицу времени (P_rad) равно тепловой конвекции от окружения.

P_rad = U x dT [W/m2]

где U – коэффициент преобразования тепла, а dT — разница температур

следовательно, при U = 6 W/m2K, dT = 4 K

P_rad = 24 W/m2

В условиях ясной безоблачной погоды тепловые потери радиации могут быть выше этого значения, т.к. абсорбер обычно на много теплее (около 40° С), а потеря тепла пропорциональна его абсолютной температуре, возрастающей до 40°.

Перегрев

2 февраля 2010 года

Вчера было очень солнечно. Давайте посмотрим дневные графики.


Рис. 16. Дневные графики.

Расшифровка подписей в графиках

Daily Grahp 18/03/2010 – дневной график 18.03.2010

Sun – солнце

Сcollector – коллектор

Work time – время работы

Fan – вентилятор

AvrTemp – средняя температура

Подпись справа от 1 графика: Общая радиация

Эффективность

Подпись справа от 2 графика: красная линия — внутри помещения

зеленая линия — вне помещения

синяя линия — воздух

красная линия — комната

Подпись справа от 3 графика: красная линия — моментальный кпд

желтая линия — солнечная энергия

зеленая линия — кпд коллектора

Как уже упоминалось, потеря эффективности сохранения тепла в калорифере может вызвать перегрев комнаты.

Продаваемые калориферы обычно оборудованы термостатами для отключения вентилятора. Отключение циркуляции воздуха представляет собой критические потери зимой, когда солнечного света недостаточно.

К счастью, я нагреваю большую комнату с внешними стенами, которые оказывают охлаждающий эффект. У меня не было перегрева в течение 100 дней мониторинга при использовании панели 2х2 м. Должен также сказать, что радиаторы основной системы отопления в комнате были отключены.

Однако это не означает, что следует отключать вентилятор для сохранения комфортной температуры в комнате. Именно из-за этого отключения может произойти перегрев в наиболее солнечные часы. Если это происходит, то так же происходит и потеря тепла.

График на рис. 17 показывает температуру при мансардной крыше за 1 день апреля.

Р
ис.17. Температура за два солнечных дня в нагреваемой комнате

Измерение теплопотерь

20 февраля 2010 года

Данный эксперимент проводился для измерения теплопотерь панелей.

После заката я почувствовал приток в коллектор теплового воздуха, нагретого в изолированном канале. Нагрев создавал электрический калорифер, который нагревал воздух от температуры Tr до температуры Te. Я измерил характеристики калорифера: Tr, Te и температуру воздуха на входе Ti и выходе To коллектора. Температура воздуха на улице была типична для зимнего периода, а температура воздуха была 25° С, что является рабочей температурой.

Таким образом, объем воздушного потока был одинаковым как в канале, так и в коллекторе, а коэффициент охлаждения и нагревания показывает потери эффективности (кпд) из-за теплопотерь.

(Ti-To) / (Te-Tr)

Калорифер нагревал воздух от комнатной температуры 23.3° С и охлаждался на 5.54° С в коллекторе.

5,54/23.13=0.24

это означает, что 24% теряется на поверхности абсорбера площадью 1.6 м2. Это дает нам

24/1.6=15%

О чем же хорошем говорят эти результаты?

Предположим, что оптическая эффективность полировки коллектора и абсорбер составляет 60%. Если 15% из 60% солнечной радиации, преобразуемой в тепло, теряется, то эффективность (кпд) коллектора падает до 0.6*0.85= 51%.

В то же самое время температура окружающей среды составляла 6.5 °C. Разница температур коллектора и окружающей среды была ниже, чем при стандартной рабочей ситуации. В зимний период обычные температуры для коллектора и окружающей среды составляют dT=30 °C и dT=20 °C соответственно. Теплопотеря пропорциональна разнице температур. При рабочей температуре теплопотери возрастают до 15 x 30 / 20 = 22.5%, поэтому эффективность коллектора составляет 0.6 x (1-0.225) = 47%.

Но это только приблизительно...

Увеличение воздушного потока

26 марта 2010 года

Весна. Температура на улице растет.

Сегодня я увеличил воздушный поток с 2.4 м/сек до 2.7 м/сек. Чем больше воздуха проходит через коллектор, тем ниже температура абсорбера. Это изменение воздушного потока должно слегка увеличить эффективность.

Увеличение воздушного потока осуществляется за счет удаления фильтра. (Фильтр был чистый, без пыли).

Стагнация

1 апреля 2010 года

После трехмесячной непрерывной работы мы получили впервые электрический сбой в работе.

Следующий график показывает некоторые параметры при перезапуске системы.

Р
ис. 18. Стагнация

Подписи в графике:

красная линия — внутри помещения

зеленая линия — вне помещения

синяя линяя — воздух

красная линия — комната

Температура в распределителе коллектора составляла 90° С при солнечной радиации 900W/m2.

На этапе стагнации:

Tk – температура на улице = 20 °C

Tx – температура в коллекторе

U – коэффициент теплопотерь = 6 W/m2K

I – солнечная радиация = 900 W/m2

n0 – оптическая эффективность панели.

Если не учитывать потери тепла радиации на этапе стагнации, теплопотери остаются сбалансированными с теплом от солнечной радиации, достигающего абсорбера.

(Tx-Tk) x U = I x n0

Tx = I/U + Tk

Tx = 0.9x900/6+20=155 °C

Конечно, при такой высокой температуре следует учитывать и теплопотери радиации, что может служить объяснением более низкой температуры (90°C).

Примечание: При температуре около 100° С поликарбонатное покрытие может испортиться.

Информация по всем измерениям за период с 1 января до 18 апреля 2010 года опубликована на вебсайте biosolar.hu ( http://biosolar.hu/gallery/14).

Страница является переводом англоязычной статьи.

На главную