© Strojni{ki vestnik 46(2000)7,400-407 © Journal of Mechanical Engineering 46(2000)7,400-407 ISSN 0039-2480 ISSN 0039-2480 UDK 621.311.243:620.92(597) UDC 621.311.243:620.92(597) Izvirni znanstveni ~lanek (1.01) Original scientific paper (1.01) Optimiranje ravnega son~nega sprejemnika z nepremi~nim zrcalom The Optimization of a Solar Collector of the Flat-Thin Box Type with a Fixed Reflector Ha Dang Trung - Nguyen Quan Pri raziskavi novega tipa sončnega sprejemnika je bilo uporabljeno zrcalo nepremičnega tipa. Sprejemnik in zrcalo sta utrjena, tako je količina absorbirane sončne energije odvisna predvsem od kota sončnih žarkov ter razporeditve sprejemnik - zrcalo. Visoko temperaturo vode in največje absorbirano sevanje tako dosežemo z optimalno postavitvijo sprejemnika in zrcala. Raziskave so pokazale, da je primerno razmerje izmer od 1,7 do 3 (da dobimo od 33% do 38% več neposrednega sevanja). Prvotni rezultati pri preskusu ravnega sprejemnika sončnega sevanja, ki je imel površino 3,9 m2 in zrcalo enake površine, so bili spodbudni. Ta model sončnega sprejemnika je preprostejši in bolj učinkovit v območjih zmernega sončnega sevanja in uporaben za absorpcijski hladilni krog. © 2000 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: sprejemniki sončni, absorpcija energije, optimiranje, preskušanje) A new design of solar collector has been investigated which uses a reflector of the fixed type. Both collector and mirror are of the non-tracking type, so the absorbed solar energy depends on the incident angle of the solar beam and the collector-mirror arrangement. A high water temperature and a maximum in the absorbed radiation can be reached by selecting an optimal dimension ratio for the collector and reflector. The research has shown that reasonable dimension ratio of 1.7 to 3 can result in 33% to 38% more direct radiation. A flat-thin box type collector of 3.9 m2 with a mirror of the same area has been tested and some initial results look promising. This model of solar collector is simpler and more efficient in regions of moderate solar radiation and useful for the absorption-refrigeration cycle. © 2000 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: solar collector, absorbed energy, optimization, testing) 0 UVOD Uporaba kombinacije sprejemnik - zrcalo je bila omenjena v nekaterih projektih in raziskavah. Za pridobitev čim več sončnega sevanja je pomembno razmerje izmer zrcala in sprejemnika ter površina sprejemnika. Za okrogel ploščat sprejemnik brez zrcala ali zgoščevalnika premičnega tipa je absorbirana sončna energija odvisna od površine sprejemnika. To pomeni, da imajo različni sprejemniki enake površine enako zmožnost absorpcije, čeprav se njihova razmerja izmer razlikujejo. Za kombinacijo sprejemnik -zrcalo nepremičnega tipa pa je vse skupaj bolj zapleteno. Absorbirana sončna energija, ki vključuje odbojno sevanje, je odvisna od razmerja izmer in spremembe kota sončnih žarkov. 0 INTRODUCTION Using a collector-reflector combination as a solar collector has been mentioned in some projects and researches, but the dimensional relationship of the re-flector and collector is often based on the collector’s area to obtain the determined solar radiation and taken qualitatively. For the flat-plate collector without reflec-tor or concentration collector of the tracking type, ab-sorbed solar energy depends on the collector area, not on its dimension ratio. This means the different collectors of the same area have the same capacity while their dimension ratios are not the same. But for the collector-reflector combination of the fixed type, the problem is more complicated. Absorbed solar energy, which includes the reflection radiation, depends on the dimensional relationship with the change of incident angle of the solar beam. VBgfFMK stran 400 H.D. Trung - N. Quan: Optimiranje son~nega sprejemnika - The Optimization of a Solar Collector Pri optimiranju sprejemnikov sončne energije naletimo na problem, kako narediti kombinacijo sprejemnik - zrcalo preprosto za izdelovanje, uporabo in vzdrževanje, cenovno ugodno in energijsko učinkovito. Za izpolnitev teh pogojev je bil oblikovan in testiran model sončnega sprejemnika z nepremičnim zrcalom. 1 ODVISNOST ABSORBIRANE ENERGIJE OD IZMER SPREJEMNIK - ZRCALO Absorbirano energijo, ki jo sprejme okrogli ploščati sprejemnik z nepremičnim zrcalom določimo [1] iz obrazca: For the optimization of a solar collector, the problem is how to make the solar collector-reflector combination simple to manufacture, convenient to operate and maintain, cheap to produce while offer-ing improved energy efficiency. To meet these re-quirements, a model of a solar collector with a fixed-type reflection mirror has been designed and tested. 1 DEPENDANCE OF ABSORBED ENERGY ON THE COLLECTOR-MIRROR DIMENSIONS Useful absorbed energy for a flat-plate col-lector with a fixed type mirror [1] is defined by: dQu = Ac[Fr(ta)(IT + fAIR)]dw (1) kjer je: Q - absorbirana energija v J A u - površina ravnega okroglega sprejemnika v m2 FR - količnik prenosa toplote (ta) - zmnožek transmisivnosti in absorptivnosti IT - celotno sevanje v W/m2 IR - odbojno sevanje ogledala v W/m2 -časovni korak, ki ustreza sončnemu urnemu kotu w v s fA = A /A - razmerje površin AR - površina sprejemnika, ki zbira odbojno sevanje ogledala v m2 V primeru, ko sta površini sprejemnika in zrcala enaki in je kot med ploskvama 120°, potem je fA = 1, če je ploskev sprejemnika vedno navpična glede na sončne žarke (premični tip). Pri nepremičnem tipu je A odvisen od kota sončnih žarkov (q), kakor tudi od razmerja izmer sprejemnika L = a/b (a,b dolžina/ višina sprejemnika). Ugotovljeno je, da neposredno in razpršeno sevanje površine sprejemnika ni odvisno od A. Največji problem je določitev razmerja med A in odbojnim sevanjem IR in potem določitev največje absorbirane energije sprejemnika [2]. where: Q - useful absorbed energy, J AC - surface area of the flat-plate collector, m2 F - heat-removal coefficient (ta) - transmittance-absorptance product IT - global radiation, W/m2 IR - reflection radiation from the mirror, W/m2 w - time interval corresponding to hour angle, sec. fA = AR/A C - area ratio AR - area proportion of the collector receiving reflection radiation from the mirror, m2 In the case when the areas of the collector and mirror are the same and the angle between their planes is 120o, /A = 1 if the collector’s plane is always perpendicular to the solar beam (tracking type). For the non-tracking type, q depends on the incident angle of the solar beam () as well as the dimension ratio of the collector, L = a/b (a and b are the length and the width of the collector, respectively). It is recommended that the direct and diffusion radiation which is incident on the collector’s surface does not depend on / . So the important problem is how to determine the relation between / and the reflection radiation (IR) , and then to determine the maximum absorbed energy of the collector [2]. fA= če je qarctanL/V3 S kombinacijo enačb (1) in (2) ter upoštevanjem, daje IR = mIbcosq/ 2, kjer m pomeni zrcalno odbojnost in Ib neposredno sevanje, dobimo: ctanq (2) when q|>arctanL/V3 Combining eqs. (1) and (2), and with the knowledge that IR = m Icosq/2, where m is the mirror’s reflectance and Ib is the direct radiation, we have: dQu = FR(ta)IT+mACFR (ta)fAI AC FR f AIb cosq Idw (3). Pri izračunu ločimo sprejeto in odbito sevanje dQC in dQR: For convenience, the collector’s radiation and the reflection radiation can be separated as dQC and dQR , respectively: stran 401 glTMDDC H.D. Trung - N. Quan: Optimiranje son~nega sprejemnika - The Optimization of a Solar Collector cos q dQR=mACFR(ta)fAI f AIb 2 dw (4) Ker je razmerje med sončnim urnim kotom w in kotom sončnih žarkov q sorazmerno s sončnim gibanjem, je simetrično s ploskvijo sprejemnika (pred sončnim poldnevom in po njem): Because the relation between the hour angle (w) and the incident angle (q) is linear and the sun’s movement is symmetrical to the collector’s plane (before and after solar noon): q=tw ali/or dw=2vdq (5) Če vstavimo B = L/ 3 in integriramo (4), dobimo: Put B = L/3 and taking the integral for (4) we have: QR= Dw mACFR(ta)Ib K B ln podobno: similary: Dw QC = 4 ^ ACFR (ta)Ib + 2DwACFR (ta)Id (6) (7). Prvi del enačbe pomeni neposredno sevanje QCb, drugi del pa razpršeno sevanje QCd. Ugotovljeno je bilo, da je QR zelo odvisen od parameter , oziroma od razmerja L. Iz tega izhaja, da izbira razmerja dimenzij L vpliva na količino absorbirane energije in s tem na učinkovitost sprejemnika. Določitev razmerja QR/Q = fB, ki je funkcija B v % The first term of eq. (7) is the direct radiation energy (QCb) and the second term is the diffusion energy (QC). It is recommended that QR depends very much on the parameter B, i.e on the ratio L. So the selection of the dimension ratio L would affect the absorbed energy and the efficiency of the collector. Symbolizing the ratio QR/QCb to be /B as a function of B, % fB = QR /QCb = B ln (v1+ B -1)+1(1+ B2-1) (8) in predstavitev razmerja med fB in L na sliki 1. Iz tega lahko vidimo sprejemljivo razmerje, da pri L = 1,7 do 3 dobimo 32% do 38% več neposrednega sevanja (z uporabo močno odbojnega stekla zrcala, m * 1). 45 % 40 35 30 25 20 15 10 5 0 and expressing the relation between /and L in Fig. 1, it can be seen that a reasonable ratio of L = 1.7 to 3 will result in 32% to 38% more direct radiation (when a glass mirror of high reflectance is used, i.e m * 1). razmerje izmer L / dimension ratio L Sl. 1. Razmerje med f in L Fig. 1. Relation between B and L VH^tTPsDDIK stran 402 H.D. Trung - N. Quan: Optimiranje son~nega sprejemnika - The Optimization of a Solar Collector 2 OPTIMIRANJE IZMER SPREJEMNIK - ZRCALO Za določitev optimalnega razmerja L za kombinacijo sprejemnik - zrcalo moramo upoštevati stroške porabe energije in izdelave sprejemnika. Z uporabo odbojnega zrcala so povprečni mesečni stroški za električno energijo E družine nižji. Zmanjšanje stroškov DE je posledica razmerja izmer L, kar je razvidno iz funkcije QR. 2 OPTIMIZATION OF THE COLLECTOR-MIRROR DIMENSIONS To fully evaluate an optimal ratio of L for the col-lector-reflector combination, the cost of energy consump-tion and collector manufacturing should be included. Using a reflection mirror can make the monthly average expenditure on electrical consumption (E) for a family lower and the dependence of the expenditure reduc-tion (DE) on the dimension ratio (L) is a function of QR. . -6 USD/mesec DE = 30 10 pQ R USD/month (9) kjer so: QR - absorbirana odbojna energija v J p - cena energije na enoto, VND/MJ 30 - povprečno št. dni v mesecu Tako znašajo mesečni stroški: where : QR – useful energy absorbed from the reflection radiation, J p – power unit price, VND/ MJ 30 – average days per month So, actual monthly expenditure will be : USD/mesec Ea = e - De USD/month (10) Stroški sistema C kombinacije sprejemnik -zrcalo se linearno zvečuje z L, in so določeni tudi z dobo trajanja [3]. Predpostavljamo, da je doba trajanja sistema 5 in 10 let: The installation cost (C) of a collector-reflector combination is linearly proportional to L and determined by different life-times of the combination [3]. Assuming the life-time of the equipment to be 5 and 10 years: C = P i(1 i(1+ i) (1 +i) USD/mesec USD/month (11) kjer so: P - stroški sprejemnik - zrcalo v USD/m2 i - mesečna obrestna mera v % n - doba trajanja v mesecih, 60 ali 120 mesecev Slika 2 prikazuje odvisnost Ea in C od razmerja dimenzij L pa tudi celotne stroške L E= (E + C), kjer so E5, E 10 in C, C10 vrednosti Et in C za 5 in 10 let dobe trajanja. where: P – collector-reflector cost, USD/m2 i – monthly interest rate, % n – months of life-time, 60 or 120 months Figure 2 shows the dependence of Ea and C on the dimension ratio (L), as well as the total expenditure Et = ( E a + C) on L, i n which Et5 , Et10 and C5, C10 are the values of Et and C for 5 and 10 years of life-time, respectively. USD/mesec USD/month 21,1 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 razmerje izmer L / dimension ratio L Sl. 2. Stroški energije E v odvisnosti od razmerja izmer Fig. 2. Energy Expenditure (Et) vs Dimension Ratio L stran 403 glTMDDC H.D. Trung - N. Quan: Optimiranje son~nega sprejemnika - The Optimization of a Solar Collector Jasno je, da dosežejo povprečni mesečni stroški za energijo najmanjšo vrednost takrat, kadar je L = 1,7 do 3 (kar ustreza dobi trajanja sprejemnika 5 ali 10 let). To vrednost razmerja izmer svetujejo za uporabo načrtovanja in izdelave sončnih sprejemnikov v Vietnamu (in morda tudi v drugih manj razvitih državah). 3 PRESKUS SPREJEMNIKOV RAZLIČNIH RAZMERIJ IZMER Proučevali so kombinacijo sprejemnik -zrcalo. Sestavljeno je iz treh ploščatih sprejemnikov dimenzij 1,0 x 1,3 m in treh zrcal enakih izmer (razmerja izmer L = 0,77, L2 = 1,54, L = 2,31). Ta sestav sprejemnika je prikazan na sliki 3. Raziskovalno delo temelji na učinkovitosti in energijski enačbi sprejemnika [1]: steklo glass It is clear that the monthly average expenditure for energy consumption is a minimum value in the interval of L = 1.7 to 3 (corresponding to a life-time of the collector of 5 or 10 years). So this value of the dimension ratio is suggested for use when designing and manufacturing a solar collector in Vietnam (and maybe in some other less-developed countries). 3 TESTING A COLLECTOR OF DIFFERENT DIMENSION RATIOS A collector-reflector combination has been investigated. It has 3 flat-plate collectors of 1.0 x 1.3 m with 3 mirrors of the same dimension (dimension ratios L1 = 0.77, L2 = 1.54, L = 2.31). The collector structure is shown in Fig.3. The experimental work is based on the efficiency expression and energy equation of the collector [1]: sončni žarek 'solar beam ravni sprejemnik collector of flat-thin box type izolacija insulation Sl. 3. Struktura sprejemnika Fig.3. The collector structure hi = Qu AC I = FR (ta) - FRU I CT U RL Ti -Ta in and QU = mCp (T0 - Ti ) (12) (13), kjer so Ti, T0, T : vstopna, izstopna temperatura delovnega fluida in temperatura okolja, C specifična toplota vode v J/kgK. Strukturni parametri sprejemnika so naslednji: - izmere ploščatega sprejemnika: L x W x D = 1220 mm x 920 mm x 5 mm - izmere posameznega sprejemnika: L x W x D = 1300 mm x 1000 mm x 100 mm - količina vode v posameznem sprejemniku: 5,98kg - debelina stekla: 3 mm - prostor med steklom in ploščato površino: 35 mm - material absorberja: galvanizirana plošča: 0,8 mm (brez selektivnega nanosa). 3.1 Določitev značilnih parametrov sprejemnika Za preskus so potrebni naslednji podatki: - celotno sončno sevanje IT v W/m2 - celotna sončna energija QT v J/m2 - vstopna in izstopna temperatura vode Tfi in Tfo v K where Ti , To , Ta are the outlet and inlet temperature of the working fluid and the ambient temperature, respectively. Cp is the specific heat capacity of water, J/kg.K. The structural parameters of the collector are as follows: - dimensions of flat-thin box: L x W x D = 1220 mm x 920 mm x 5 mm - packaged dimensions of collector unit: L x W x D = 1300 mm x 1000 mm x 100 mm - water weight of collector unit: 5.98 kg - glass thickness: 3 mm - space between the glass and the flat-thin box surface: 35 mm - flat-thin box material: galvanized sheet 0.8 mm ( no selective coating). 3.1 Determining characteristic parameters of the collector : Experiment data required : - global solar radiation (IT), W/m2 - global solar energy (QT), J/m2 - inlet and outlet water temperature (Tfi) and (Tfo ), K VBgfFMK stran 404 I T H.D. Trung - N. Quan: Optimiranje son~nega sprejemnika - The Optimization of a Solar Collector Ta V V3 HXf V2 vodni hranilnik water tank merilnik pretoka / flow meter V1X merilnik sončnega sevanja solar radiometer odbojno steklo reflection mirror Sl. 4. Eksperimentalni načrt Fig. 4. Experimental scheme - temperatura okolja T v K - masni tok vode m v kg/s. Z uporabo enačb (12) in (13) pridemo do razmerja med učinkovitostjo sprejemnika in (Ti - T)/ IT, karakteristični parametri sprejemnika so znani (sl. 5): - ambient temperature (Ta), K - water flow rate (m), kg/s Using eqs. (12) and (13) to establish the relation between the collector efficiency and (Ti - Ta)/ IT , the characteristic parameters of the collector can be found (Fig. 5): FR(ta) = 0,708 in / and FRUL = 6,49 W/m2K 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 > ¦ ¦ ¦¦ ¦ * « ¦¦•• ¦ "¦---. ¦ /¦¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ""¦"¦•¦¦V. » ^^\. ¦ ¦ ¦ ¦ ^¦ « ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ 0 10 20 30 40 50 60 1000(Ti - Ta)/It 70 80 90 100 Sl. 5. Učinkovitost sprejemnika v odvisnosti od (T - Ta)/IT Fig. 5. Collector efficiency vs (Ti - T a)/IT 3.2 Določanje sprejemnika glede na različna razmerja izmer Preskus je bil opravljen s tremi različnimi razmerji izmer: L1 = 0,77; L2 = 1,54; L3 = 2,31. Potrebni eksperimentalni podatki: - temperatura okolice T v K, - povprečna temperatura vode v rezervoarju Tf in 3.2 Determining the dependance of the collector on the collector dimension ratio. Experiments were carried out using 3 different dimension ratios : L1 = 0.77 ; L2 = 1.54 and L3 = 2.31. Experimental data equired: - ambient temperature (Ta), K, - average water temperature in the tank (Tf) and gfin^OtJJlMlSCSD 00-7 stran 405 |^BSSITIMIGC H.D. Trung - N. Quan: Optimiranje son~nega sprejemnika - The Optimization of a Solar Collector vstopna temperatura vode Ti v K, - celotno sevanje IT v W/m2 in celotna globalna energija GT v J/m2. Energijo, ki je na voljo, določimo iz obrazca: inlet water temperature (Ti), K, - Global Radiation (IT) , W/m2 and global radiation energy (GT), J/m2. In this experiment, the useful energy can be calculated as: Qu = MCp(DTf) (14) kjer je: M - masa vode v sprejemniku, hranilniku in cevovodu v kg ATf - sprememba povprečne temperature v rezervoarju v K. Odvisnost razpoložljive energije Q od razmerja dimenzij L in globalnega sevanja GT je vidna na sliki 6. 3000 kJ/m2 2000 where: M - mass of water in the system of collector, water tank and connection pipe, kg DTf - average water temperature difference in the tank, K The dependance of the useful energy (Qu) on dimension ratio (L) and global radiation (GT) can be seen in Fig.6. 1000 L3^ ^ / /^ L2 /^ 1 0 1500 3000 4500 kJ/m2 6000 celotno sevanje Gt / global radiation Gt Sl. 6. Energija, ki je na voljo, v odvisnosti od razmerja izmer Fig. 6. Useful energy of the collector with different dimension ratia 4 SKLEP Ravni sprejemnik sončne energije z galvanizirano ploščo ima sprejemljive značilnosti parametrov, ki so podobni cevnim, vendar so preprostejši za izdelavo in nimajo selektivnega nanosa. Z uporabo nepremičnega zrcala lahko dosežemo višjo temperaturo delovnega fluida, v dneh zmernega sevanja (pod 800 W/m2) doseže temperatura v hranilniku tudi 97 °C. Tako visoke temperature delovne tekočine so potrebne za absorpcijski hladilni krog. Z uporabo optimalnega razmerja izmer sprejemnik - zrcalo dobimo od 33 do 38% več neposrednega sevanja in večjo učinkovitost (glej sliko 1 in podatke spodaj). 4 CONCLUSIONS The solar collector of the flat-thin box type made of galvanized sheet has acceptable characteristic parameters, which are similar to that of the tube-sheet type of collector but it is simpler to fabricate and has no selective coating. Using a fixed reflection mirror can make the temperature of the working fluid higher: on days of moderate radiation (below 800 W/m2), the water temperature in the tank could reach 97oC. Such a high temperature of the working fluid is necessary for the absorption-refrigeration cycle. By taking an optimal dimension ratio for the collector-reflector design it is possible to get 33% to 38% more direct radiation as well as higher efficiency (see Fig.1 and the data below). L 0,77 1,54 2,31 F R(ta) 0,737 0,7545 0,7679 FRUL, W/m2K 6,9332 6,7907 6,543 hav, % 19,3 36,5 57 Ta model kombinacije sprejemnik - zrcalo je uporaben v nekaterih tropskih državah za razvoj vodnega sončnega ogrevanja (VSO - SWH) ali sončnega absorpcijskega hlajenja (SOH - SAR). So this design of the collector-reflector combination may be used in some tropical countries to develop a solar water heater (SWH) or a solar absorption refrigerator (SAR). VBgfFMK stran 406 0 H.D. Trung - N. Quan: Optimiranje son~nega sprejemnika - The Optimization of a Solar Collector 5 LITERATURA 5 REFERENCES [1] Duffie, J.A., W.A. Beckman (1991) Solar engineering of thermal processes (3nd edition). John Willey & Sons, Inc. [2] Quan, N. (1999) A new design of solar absorption refrigerator with collector-reflector combination of fixed type. Proceedings of 20th International Congress of Refrigeration, Sydney, Australia. [3] Stoecker, W.F. (1989) Design of thermal systems, (3rd edition). McGraw-Hill Book Co. Naslov avtorjev: Dr. Ha Dang Trung Nguyen Quan Tehnična univerza Hanoi 1. Dai Co Viet Road Hanoi, Vietnam Author’s Address: Dr. Ha Dang Trung Nguyen Quan Hanoi University of Technology 1. Dai Co Viet Road Hanoi, Vietnam Prejeto: Received: 15.8.2000 Sprejeto: Accepted: 10.11.2000 stran 407 glTMDDC