Kolektory słoneczne są przetwornikiem energii promieniowania słonecznego w ciepło. Najczęściej wykorzystuje się kolektory cieczowe do ogrzewania c.w.u., zdecydowanie rzadziej użytkuje się kolektory powietrzne służące do ogrzewania powietrza, wykorzystywanego w suszarnictwie lub też do podgrzewania powietrza w pomieszczeniach. Obecnie w Polsce praktycznie nie istnieje rynek komercyjnie wytwarzanych kolektorów powietrznych, a nieliczne produkty importowane cieszą się na razie niewielkim zainteresowaniem. Z kolei kolektor wart uwagi to np. ten z absorberem perforowanym SOLARWALL z Kanady, ale jest on niedostępny na polskim rynku. Suszenie to jeden z najbardziej energochłonnych procesów, który ma istotny wpływ na cenę rynkową tak powstałego produktu.
W Polsce na procesy suszenia płodów rolnych zużywa się 30-35 PJ/rok energii1. Suszenie pozbawia produkty żywnościowe znacznej ilości wody, a tym samym uniemożliwia wzrost i rozmnażanie się grzybów pleśniowych, drożdży i bakterii. Ponadto w znacznym stopniu obniża wagę produktów i umożliwia w odpowiednich warunkach długie ich przechowywanie.
R E K L A M A
Mając na uwadze duże zapotrzebowanie na ciepło niskotemperaturowe w procesie suszenia produktów rolniczych oraz okres zapotrzebowania na ciepło pokrywający się z czasem wysokiej dostępności promieniowania słonecznego, uzasadnionym jest wykorzystanie kolektorów słonecznych w suszarnictwie. W rolnictwie energia odnawialna (w tym energia słoneczna) była znana i wykorzystywana od dosyć dawna. Stosowano jednak proste rozwiązania na bazie kolektorów płaskich, wykonane sposobem gospodarskim. Poza niewątpliwymi zaletami takiego urządzenia (niski koszt), są również wady – niska sprawność konwersji energii promieniowania słonecznego.
Z tego też powodu zwiększa się zainteresowanie bardziej wydajnym pozyskiwaniem energii promieniowania słonecznego, np. wykorzystanie kolektora z absorberem perforowanym.
Kolektor z absorberem perforowanym
Kolektor tworzy obudowana blacha trapezoidalna na powierzchni której znajduje się duża liczba niewielkich otworów, przez które zasysane jest powietrze. Takie rozwiązanie zapewnia dobry kontakt powietrza z absorberem oraz podnosi jego sprawność2. Otwory w produktach komercyjnych mają średnicę 1 mm i udział w powierzchni 1%. W jednym metrze kwadratowym kolektora znajduje się 12,5 tys. otworów.
Rys. 1. Ułożenie perforacji absorbera
Taki sposób wprowadzania powietrza zewnętrznego do obiegu kolektora pozwala na równomierny, dobry kontakt przepływającego powietrza z absorberem. Konstrukcje
kolektorów tego typu nie posiadają często przykrycia przeźroczystego, ograniczającego w standardowych kolektorach straty ciepła do otoczenia na drodze konwekcji, które w omawianym kolektorze ograniczone są do minimum. Jednocześnie brak przykrycia szklanego powoduje, iż większa ilość energii dochodzi do powierzchni absorbera. Reasumując, można powiedzieć, iż brak przykrycia szklanego nie zmniejsza zysków energii osiąganych na kolektorze, a jednocześnie znacznie upraszcza jego konstrukcję. Preferowany jest montaż kolektora w pozycji pionowej (funkcja elewacji zewnętrznej budynków), choć można też montować pod kątem na dachu, jednak kąt nie może być mniejszy niż 30° (wymaganie spowodowane jest koniecznością odprowadzenia deszczu lub śniegu). Montaż pionowy ma też inną zaletę – ciepło idzie zawsze ku górze, zatem przepływ powietrza jest skierowany dokładnie przepływem konwekcyjnym ciepła.
R E K L A M A
Kolektory z absorberem perforowanym są montowane na budynkach o dużym zapotrzebowaniu na podgrzane powietrze.
Suszenie słoneczne
Metody suszenia ciepłem słonecznym możemy podzielić na: naturalne (na otwartym powietrzu), suszenie w warstwach wentylowanych oraz suszenie w suszarniach słonecznych. Najprostszym sposobem suszenia produktów rolniczych niewymagającym nakładów energetycznych, ale jednocześnie najmniej wydajnym – jest suszenie naturalne. Możliwości oddziaływania na proces suszenia są niewielkie. Suszenie w warstwach wentylowanych stanowi metodę energooszczędną, a korzystne jest tylko dla pierwszego etapu suszenia oraz w suszarkach niskotemperaturowych.
Można stosować dwojakiego rodzaju suszarki – słoneczne (typu cieplarni – zintegrowane, kompaktowe urządzenie łączące w sobie suszarkę i kolektor) oraz zwykłe suszarki rolnicze (sitowe, komorowe). W tym drugim typie – stosowanym w kraju – sprawą istotną jest dobór powierzchni kolektora oraz sposób współpracy z suszarnią. Suszarki słoneczne w naszych szerokościach geograficznych najczęściej stosuje się w połączeniu z innym źródłem ciepła (tzw. system biwalentny), choć w porze letniej mogą stanowić system monowalentny.
Dotychczasowe wyniki badań wykazały, że kolektory słoneczne to liczące się uzupełnienie potrzeb energetycznych w suszarnictwie rolniczym, a zwłaszcza w suszarkach, gdzie stosowane są niskie temperatury czynnika suszącego.
W zależności od suszonego produktu oraz typu wykorzystywanej suszarki stosuje się różne parametry suszenia. Najczęściej w skali półtechnicznej stosuje się suszarki sitowe lub komorowe, a temperatury suszenia wahają się od 35°C do ok. 60°C.
Wykorzystanie absorbera perforowanego w suszeniu
Autor niniejszego artykułu przeprowadził badania kolektora słonecznego – powietrznego z absorberem perforowanym w warunkach Polski oraz przeanalizował możliwość wykorzystania go do suszenia wybranych produktów rolnych. Przeprowadzone badania pozwalają określić parametry, jakie w warunkach krajowych można uzyskać z kolektora. Ogólnie kolektor pracuje najefektywniej przy wysokich natężeniach przepływu, przy niewielkich przyrostach temperatur oraz małej liczbie dni słonecznych ciepłych. Zalecane natężenie to 150 m3/m2/h i zaliczane jest do dosyć wysokich. Przyrost temperatury (T) uzyskiwany w kolektorze w warunkach optymalnych to 8-9°C. Określono również ilość energii (E), jaką można uzyskać z 1 m2 kolektora na nieco ponad 3 kWh energii w ciągu 8 h działania kolektora. Sprawność eksploatacyjna () kolektora jest na poziomie 45%3.
Należy podkreślić, iż parametry pracy kolektora (T, E, ) zmieniają się w stochastycznie bardzo szerokim zakresie, a zmiany uzależnione są od warunków pogodowych. W ramach przeprowadzonych analiz określono możliwość zastosowania kolektorów słonecznych przy suszeniu warzyw, owoców i grzybów. Produkty te wymagają stosowania
temperatur ok. 50°C i umiarkowanych natężeń przepływu powietrza. Produkty mogą być suszone z wykorzystaniem energii słonecznej. Niskie temperatury uzyskiwane na kolektorze słonecznym stwarzają konieczność stosowania dodatkowego źródła ciepła. Sprawą niezmiernie istotną jest dobór wielkości kolektora do suszarki. Na potrzeby badanego przypadku został opracowany diagram.
Rys. 2. Diagram doboru wielkości suszarki, kolektora oraz określenia ilości uzyskanej energii słonecznej na podstawie wydatku powietrza wentylatora.3
Wyżej przedstawiony diagram pozwala na orientacyjny dobór wielkości suszarki sitowej oraz kolektora z absorberem perforowanym. Widać z niego, iż suszarce o powierzchni 10 m2 odpowiada natężenie przepływu powietrza 6000 m3/h. Potrzebny kolektor musi mieć powierzchnię 40 m2, a w ciągu dnia dostarczy do 130 kWh energii cieplnej.
Aspekty ekologiczne i ekonomiczne
Zastosowanie kolektora powietrznego jest działaniem proekologicznym i znacząco zmniejsza ilość spalanych paliw kopalnych oraz związaną z tym emisję gazów (m.in. NOx, SO2 i organiczne związki). Efekt ekologiczny zastosowania kolektora słonecznego jest uzależniony od paliwa, jakie zastępujemy ciepłem pozyskanym ze słońca. Struktura zużycia paliw przez rolnictwo w procesie suszenia jest bardzo niekorzystna dla środowiska przyrodniczego obszarów wiejskich. Wykorzystuje się głównie węgiel (ok. 70%), co przyczynia się do zanieczyszczenia produktu suszonego, a to powoduje obniżenie jego jakości.
Nie bez znaczenia jest efekt ekonomiczny stosowania kolektora słonecznego, który przy suszeniu rozpatrywanych produktów dostarcza ok. 30% energii. Te dwa fakty oraz częściowe „uniezależnienie się od dostępności paliw konwencjonalnych przemawiają za wykorzystaniem przebadanego urządzenia w celach suszarniczych.
Źródła 1. Hollick J.: Solarwall – Simple and Effective Solar Heating. „Environmental Building News” 1996. 2. Kurowski K.: Wykorzystanie kolektora słonecznego z absorberem perforowanym dla suszenia wybranych produktów rolniczych. IBMER 2006. 3. Pabis J.: Kolektory słoneczne uzupełniającym źródłem energii cieplnej z suszarnictwie rolniczym. Seminarium: „Kolektory słoneczne, problemy budowy i eksploatacji – referaty i komunikaty.” IBMER. Warszawa 1993. dr inż. Krystian Kurowski EC BREC/CLN
