+ All Categories
Home > Documents > SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The...

SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The...

Date post: 17-Aug-2020
Category:
Upload: others
View: 1 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
102
SOLAR SYSTEMS IN THE ECOVILLAGE AT THE UNIVERSITY OF MANITOBA Heather King
Transcript
Page 1: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

 

SOLAR SYSTEMS IN THE ECO‐VILLAGE  

AT THE UNIVERSITY OF MANITOBA     

Heather King 

Page 2: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

      

SOLAR SYSTEMS IN THE ECO‐VILLAGE   

AT THE UNIVERSITY OF MANITOBA     

 Heather King 

   

   

A thesis submitted in conformity with  

the requirements for the degree of  

BACHELOR OF SCIENCE (MECH. ENG)  

at the University of Manitoba         

Supervisor: Dr. E. Bibeau     

Department of Mechanical and Manufacturing Engineering University of Manitoba 

2007 

Page 3: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

ii

ABSTRACT  Solar technologies are vastly emerging across the globe as a renewable, environmentally 

acceptable alternative  to  fossil  fuels and other non‐renewable energy  resources.   The 

“eco‐village”, an old straw bale barn  located on the University of Manitoba’s Ft. Garry 

campus,  is  currently  being  used  to  study  solar  technologies;  more  specifically,  to 

examine  the use and efficiency of solar air and water collectors.   Once  installed, data 

must  be  logged  from  these  solar  collectors  to  enable  the  energy  output  and 

instantaneous efficiency for each collector to be determined.   This report discusses,  in 

detail, the various types of solar collectors that are to be  installed at the “eco‐village”.  

Calculations are carried out to determine the optimum  location and position the solar 

collectors  should  be  installed  at  in  order  to maximize  the  amount  of  solar  radiation 

received  by  the  collectors  throughout  the  year.  Research  into  the  transfer  of  heat 

throughout each collector allowed for instantaneous efficiency models to be created for 

each collector, in which a user simply has to enter the required variable input data and 

the  efficiency of  the  collector  is  calculated.      The  report  concludes by  examining  the 

economical and environmental benefits of  installing a system of solar collectors on the 

University of Manitoba’s Ft. Garry campus and the capabilities this proposed system of 

solar  collectors would  have  in  supplementing  the  university’s  current  district  heating 

system.       

 

Page 4: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

iii

ACKNOWLEDGEMENTS  I would like to thank the following people for their assistance during the course of this 

undergraduate research project: 

 Dr. Eric Bibeau  Assistant Professor, Department of Mechanical 

Engineering, University of Manitoba  G. Paul Zanetel, P.Eng  Associate Professor, Engineer‐in‐Residence, Department of 

Mechanical Engineering, University of Manitoba  Daniel Friesen, P. Eng   Consultant, Daniel Lepp Friesen Consulting    Mike Ferley, P.Eng    Energy Advocate, Physical Plant, University of Manitoba  Stephanie Zubriski  Graduate Student, Faculty of Engineering, University of 

Manitoba  Dr. Kris Dick, P.Eng  Adjunct Professor, Engineer‐in‐Residence, Design 

Engineering, University of Manitoba  

Page 5: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

iv

NOMENCLATURE 

sh          =  specific enthalpy of evaporation of steam at working pressure  

bI   =   the direct radiation received by the collector  

effI   =   the effective solar radiation on the collector  

NI   =   the normal terrestrial solar radiation received at ground level 

sm

  =  steam mass flow rate  

aT   =  ambient air temperature 

Q   =   heat transferred from the steam  

LQ.

  =  thermal energy lost to the environment 

LU   =   the overall heat loss coefficient 

  =  Stefan‐Boltzmann constant = 5.67 x 10‐8 W/m²∙K4 

  =   density of the heat transfer fluid 

  =  viscosity of the heat transfer fluid  

Σ  =  tilt angle of the flat plane of the collector Φ  =  direction of the angle of tilt      Evacuated Tube Collector nomenclature: 

icA ,   =   inner tube diameter times collector length  

ocA ,   =   outer tube diameter times collector length  

ihA ,   =   heat pipe inner diameter times collector length  

ohA ,   =   heat pipe inner diameter times collector length  

icD ,   =  inner diameter of the collector tube  

ocD ,   =   outer diameter of the collector tube  

ocondD ,  =   outer diameter of the heat transfer condenser  

ihD ,   =   inner diameter of the heat transfer pipe  

ohD ,   =  outer diameter of the heat transfer pipe  

evacF   =   the shape factor between the selectively coated outer surface of the  

               heat pipe and the inner surface of the collector tube  

rF   =  flow rate factor  

ch   =   heat transfer coefficient of the outer surface of the collector tube  

eh   =   heat transfer coefficient of the inner surface of the collector tube  

hmh       =   heat transfer coefficient between the heat pipe fluid and the manifold 

fluid  

Page 6: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

v

phh       =   heat transfer coefficient between the fin plate and the heat transfer pipe 

fluid  

ck   =  thermal conductivity of the glass collector tube  

hk    =   thermal conductivity of the copper heat transfer tube  

fink   =   thermal conductivity of the fin plate 

L   =   the length of the heat transfer pipe 

fm

  =  flow rate of the fluid through the manifold  

mPr    =  Prandtl number of the heat transfer fluid in the manifold 

pPr   =   Prandtl number of the fluid within the heat transfer pipe 

mRe   =   Reynolds number of the heat transfer fluid in the manifold 

pRe   =   Reynolds number of the fluid within the heat transfer pipe 

cT   =   mean temperature of the collector plate  

hT   =   mean temperature of the heat pipe  

ifT ,   =  temperature of the fluid in the manifold before heating occurs      

hmQ.

     =  thermal energy transferred from the heat pipe fluid to the manifold   fluid  

mU   =   mean velocity of the fluid within the heat pipe  

 V  =  mean velocity of the air flowing over the evacuated tube collector    =   kinematic viscosity of the liquid in the heat transfer pipe 

c   =  emissivity of the collector tube 

h   =   emissivity of the heat transfer pipe  

  Flat‐Plate Collector nomenclature: 

cA    =   flat plate collector area  

 D   =   outer diameter of the fluid tube  'F   =  collector efficiency factor  

RF   =  collector heat removal factor  

 h   =   convective heat transfer coefficient from the inner fluid tube to the fluid   k   =   thermal conductivity of the fluid tube  

m   =   flow rate of the heat transfer fluid through the heat transfer tubes  

fT   =  mean temperature of the heat transfer fluid  

W   =   distance between centre of two fluid tubes  δ   =   thickness of the fluid tube     =  heat transfer tube absorptance ε  =  heat transfer tube emittance 

Page 7: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

vi

TABLE OF CONTENTS 

ABSTRACT .............................................................................................................................ii  ACKNOWLEDGEMENTS ....................................................................................................... iii  NOMENCLATURE ................................................................................................................. iv  LIST OF FIGURES ................................................................................................................ viii  LIST OF TABLES .................................................................................................................... ix  1  INTRODUCTION ....................................................................................................... 1 1.1  Purpose and Scope.............................................................................................. 1 1.2  Layout of Thesis .................................................................................................. 2 

2  REVIEW OF LITERATURE .......................................................................................... 3 2.1  Solar Energy ........................................................................................................ 3 2.2  Solar Collectors ................................................................................................... 5 2.2.1  Solar Evacuated Tube Collector .................................................................... 6 2.2.2  Solar Water Flat‐Plate Collector ................................................................... 9 2.2.3  Solar Air Flat‐Plate Collector ....................................................................... 10 2.2.4  Solar Wall Air Heating Solar Collector ........................................................ 11 

3  SOLAR COLLECTOR LOCATION .............................................................................. 13 3.1  Geographical Location ...................................................................................... 14 3.2  Incident Angle ................................................................................................... 14 3.2.1  Methodology ............................................................................................... 15 3.2.2  Calculations ................................................................................................. 17 

3.3  Solar Irradiance ................................................................................................. 24 3.3.1  Methodology ............................................................................................... 24 3.3.2  Calculations ................................................................................................. 25 

3.4  Chapter Summary ............................................................................................. 29  4  HEAT TRANSFER ANALYSIS .................................................................................... 30 4.1     Evacuated Tube Collector Efficiency ................................................................... 30 4.1.1  Methodology ............................................................................................... 30 4.1.2  Calculations ................................................................................................. 38 

4.2  Flat‐Plate Collector Efficiency ........................................................................... 40 4.2.1  Methodology ............................................................................................... 40 4.2.2  Calculations ................................................................................................. 43 

Page 8: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

vii

5  ECONOMIC ANALYSIS ............................................................................................ 47 5.1  Background ....................................................................................................... 47 5.2  Boiler Energy Analysis ....................................................................................... 49 5.3  Collector Energy Analysis .................................................................................. 49 5.4  Cost Analysis ..................................................................................................... 53 5.5  Chapter Summary ............................................................................................. 57 

6   DISCUSSION OF RESULTS .............................................................................................. 58 6.1  Benefits of Installing Solar Collectors ............................................................... 58 6.2  Possible Collector Locations ............................................................................. 59 6.3  Evacuated Tube or Flat‐Plate? .......................................................................... 63 

7  CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS ........................................................... 65 7.1  Solar Collector Location .................................................................................... 65 7.3  Instantaneous Efficiency Calculators ................................................................ 66 7.4  Economic Analysis ............................................................................................. 66 7.5  Final Recommendations ................................................................................... 67 

8  REFERENCES .......................................................................................................... 68  APPENDIX A – COLLECTOR SPECIFICATIONS ..................................................................... 70  APPENDIX B ‐ RETSCREEN DATA FOR WINNIPEG INT. AIRPORT ....................................... 83  APPENDIX C – OPTIMUM TILT ANGLES AND DIRECTIONS: JAN –DEC 2007 ..................... 85 

 

Page 9: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

viii

LIST OF FIGURES  Figure 1: Earth's Energy Budget .......................................................................................... 3 

Figure 2: Flat‐Plate Collector............................................................................................... 5 

Figure 3: "Eco‐Village" Evacuated Tube Collector .............................................................. 6 

Figure 4: Single Evacuated Tube Model .............................................................................. 7 

Figure 5:  Heat Pipe Schematic ........................................................................................... 8 

Figure 6: Heat Transfer Schematic ...................................................................................... 8 

Figure 7: EnerWorks Flat‐Plate Collector ............................................................................ 9 

Figure 8: Flat‐Plate Collector Schematic ........................................................................... 10 

Figure 9: Sunsiaray Northern Comfort Flat‐Plate Collector .............................................. 11 

Figure 10: Solar Wall Schematic ....................................................................................... 12 

Figure 11: Solar Geometry ................................................................................................ 13 

Figure 12: Angle of Elevation of the Sun ‐ Sept 15/07 ...................................................... 19 

Figure 13: Azimuth Angle of the Sun ‐ Sept 15/07 ........................................................... 21 

Figure 14: Direct Radiation Received with a Tilt Angle of 45° ‐ Sept 15/07 ..................... 27 

Figure 15: Varying Degrees of Tilt Angle ........................................................................... 28 

Figure 16: Comparison of 40° ‐ 50° Tilt Angles ................................................................. 28 

Figure 17: "Eco‐Village" Collector Schematic ................................................................... 30 

Figure 18: Equivalent Thermal Circuit ............................................................................... 31 

Figure 19: Evacuated Tube Efficiency Calculator .............................................................. 39 

Figure 20: Flat‐Plate Collector Efficiency Calculator ......................................................... 45 

Figure 21: Distribution of Powerhouse Boiler Usage........................................................ 47 

Figure 22: University of Manitoba Campus Map .............................................................. 60 

Figure 23: Hybrid Map of the University .......................................................................... 61 

Figure 24: Rooftop Solar Collector Locations ................................................................... 62 

 

Page 10: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

ix

LIST OF TABLES 

Table 1: Hour Angle ‐ Sept 15/07 ...................................................................................... 17 

Table 2: Angle of Elevation of the Sun above the Eco‐Village ‐ Sept 15/07 ..................... 18 

Table 3: Azimuth Angle of the Sun ‐ Sept 15/07 ............................................................... 20 

Table 4: Direct Radiation Received by the Collector ‐ Sept 15/07 ................................... 26 

Table 5: Summary of Location Results .............................................................................. 29 

Table 6: Days of Operation in 2006 ‐ Boilers 5 and 6 ....................................................... 48 

Table 7: Theoretical Collector Efficiencies ........................................................................ 50 

Table 8: SRCC Heating Applications .................................................................................. 50 

Table 9: Solar Radiation Values......................................................................................... 51 

Table 10: Quantity of Collectors Needed.......................................................................... 52 

Table 11: Collector Area Needed ...................................................................................... 52 

Table 12: Cost to Substitute Boiler 5 with Solar Energy ................................................... 54 

Table 13: Economic Analysis of a System of 10 Collectors ............................................... 56 

Table 14: Rooftop Availability ........................................................................................... 62 

Table 15: Optimum Tilt Angle ‐ January 2007 .................................................................. 86 

Table 16: Optimum Tilt Angle ‐ February 2007 ................................................................ 86 

Table 17: Optimum Tilt Angle ‐ March 2007..................................................................... 87 

Table 18: Optimum Tilt Angle ‐ April 2007 ....................................................................... 87 

Table 19: Optimum Tilt Angle ‐ May 2007 ........................................................................ 88 

Table 20: Optimum Tilt Angle ‐ June 2007 ........................................................................ 88 

Table 21: Optimum Tilt Angle ‐ July 2007 ......................................................................... 89 

Table 22: Optimum Tilt Angle ‐ August 2007 .................................................................... 89 

Table 23: Optimum Tilt Angle ‐ September 2007 ............................................................. 90 

Table 24: Optimum Tilt Angle ‐ October 2007 .................................................................. 90 

Table 25: Optimum Tilt Angle ‐ November 2007 .............................................................. 91 

Table 26: Optimum Tilt Angle ‐ December 2007 .............................................................. 91 

Page 11: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 1 Heather King

1 INTRODUCTION 

The following chapter  introduces the reader to this report, with the aim of clarifying the 

purpose, scope, and layout the following undergraduate thesis presents.   

 

1.1 Purpose and Scope   The purpose of this thesis is to examine and discuss the energy potential of installing solar 

collectors  at  the  University  of  Manitoba.    The  primary  intention  of  this  report  is  to 

conclude on whether it would be beneficial for the University of Manitoba to install solar 

collectors on campus.  If installed, these collectors would either 1) provide hot water that 

would  tie  into  the  university’s  district  heating  system  or  2)  heat  air  that  could  be 

circulated as a heating source through campus buildings. 

 

The  “eco‐village”, a  straw‐bale barn  located on  the University of Manitoba’s Fort Garry 

campus,  currently  has  a  single  evacuated  tube  collector  installed  onto  its  south  facing 

wall.  Plans to install two flat‐plate collectors, both a solar water collector and a solar air 

collector, as well as a solar wall collector, are in the works.   Using manufacturer data for 

the  evacuated  tube  collector  and  the  solar  water  flat‐plate  collector,  theoretical 

efficiencies have been calculated.  The results from these analyses were then applied to a 

hypothetically  larger quantity of  collectors  in order  to  study  the economic potential of 

installing a system of solar collectors on campus.  

 

The scope of this project is limited to evacuated tube collectors and solar water flat plate 

collectors.   Solar air collectors, such as the second  flat plate collector and the solar wall 

collector,  and  photo‐voltaic  (PV)  systems  could  also  be  analyzed  in  the  same manner; 

however time and equipment constraints limited this report to the two solar technologies 

mentioned. 

Page 12: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 2 Heather King

 

1.2  Layout of Thesis Following  the  introduction  to  this  report,  a  basic  overview  of  solar  energy  and  solar 

energy technologies  is provided.   The schematics of the evacuated tube collector that  is 

currently mounted on the “eco‐village” and the proposed solar water flat‐plate collector 

are provided and discussed  in detail.   Brief overviews of the solar air collector and solar 

wall collector that the university plans to  install along with the solar water collectors are 

also  given,  however  the  scope  of  this  thesis  limits  the  discussion  of  these  solar  air 

collectors, and therefore no analysis will be carried out on these collectors at this time. 

The first calculation to be discussed is that of the optimal collector location on campus in 

regards to the sun.  Methodology and calculations related to this objective are stated and 

explained.  A heat transfer analysis is then applied to both the evacuated tube system and 

the flat‐plate collector system  in order to determine the theoretical efficiencies of these 

collectors. 

Finally,  an  economic  analysis  is  conducted  on  the  proposed  systems  of  collectors.  

Discussion in this section includes the number of collectors needed, the proposed location 

for these collectors on campus, and the potential energy they would provide in relation to 

the  amount of energy  currently used  to heat water on  campus.   A  recommendation  is 

then presented on whether or not installing a system of evacuated tube collectors at the 

University of Manitoba is economically and environmentally advantages.   

 

Page 13: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 3 Heather King

2  REVIEW OF LITERATURE  In order to provide the reader with an introductory lesson on solar collector technologies, 

the  following background section and  literature review has been provided.   This section 

will discuss current solar technologies, with specific focus on the collectors that are to be 

installed at the University of Manitoba’s “eco‐village”.   

2.1  Solar Energy   Solar energy is, in the simplest of descriptions, energy from the sun.  This energy travels to 

the earth in the form of electromagnetic radiation and is used to support virtually all life 

on  earth.    Approximately  1367 W/m²  of  energy  is  available  from  the  sun  outside  the 

Earth’s atmosphere; however  some of  this energy  is absorbed as  it passes  through  the 

Earth’s atmosphere.   For  instance, on a clear day,  the amount of  solar energy available 

from the sun is in the region of 1000 W/m² [1].  

The schematic below shows how the incoming solar radiation from the sun is divided as it 

enters the Earth’s atmosphere [2].    

Figure 1: Earth's Energy Budget  

Page 14: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 4 Heather King

As the diagram shows, the majority of the incoming solar energy is absorbed by land and 

oceans; this is a large amount of free, renewable energy which could be converted to heat 

energy or stored for later use. 

Heat and light, direct forms of energy from the sun, and solar based resources account for 

more  than  99.9  percent  of  the  available  flow  of  renewable  energy  [3].  Solar  based 

resources  include wind power, hydroelectricity, biomass and solar collectors. This  thesis 

report will  further discuss  solar energy collection by  the use of  solar collectors,  such as 

evacuated tube collectors and flat‐plate collectors.   Further discussion on these different 

types of collectors follows in the proceeding sections.  

Page 15: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 5 Heather King

2.2 Solar Collectors  A solar collector is a device that extracts energy from the incident radiation of the sun and 

converts it into a more useful form of energy, such as heat.  Solar collectors can be used 

to heat air or water and are often seen atop of homes and industrial buildings.  The image 

below shows a flat plate collector mounted to the roof top of a house in Australia [4]. 

Figure 2: Flat‐Plate Collector

The  two most  commonly  found  solar  collectors  are  flat plate  collectors  and  evacuated 

tube collectors.  A flat‐plate collector generally consists of a weatherproofed and durable 

insulated box, containing an absorber sheet and built in heat transfer pipes.  The collector 

is placed in the path of sunlight, which allows the radiation incident on the plate to heat 

up the water within the heat transfer pipes, causing it to circulate through the system by 

natural  convection.    This  heated water  is  usually  then  accumulated  in  a  storage  tank 

above the collector. 

Evacuated  tube  collectors  operate  on  the  same  general  principle  as  the  flat  plate 

collector; however these collectors use evacuated tubes to absorb the sun’s incident rays.  

More  detail  is  provided  on  evacuated  tube  collectors  and  flat‐plate  collectors  in  the 

following sections. 

Page 16: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 6 Heather King

Evacuated tube collectors and flat‐plate collectors are referred to as solar water heating 

devices.   However,  solar  collector  technology  is  not  limited  to water  heating;  solar  air 

heating technology  is also commonly seen.   Solar air heating collectors operate with the 

same general principles as water heating collectors, the only difference between the two 

technologies being that air is the medium to be heated, not water or a heat transfer fluid.   

2.2.1  Solar Evacuated Tube Collector  The  image below  shows  the evacuated  tube  collector  that  is  currently  installed on  the 

“eco‐village”.  This collector was manufactured by Apricus Solar Co. and is installed at a tilt 

angle of 45° on  the buildings  south  facing wall.   Collector  specifications  for  the Apricus 

solar collector are given in Appendix A. 

Figure 3: "Eco‐Village" Evacuated Tube Collector 

Page 17: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 7 Heather King

The evacuated tube collector works by absorbing radiation from the sun through a system 

of  30  evacuated  tubes.    Each  evacuated  tube  consists  of  two  glass  tubes made  from 

extremely strong borosilicate glass.  The outer tube is transparent, which allows light rays 

to  pass  through with minimal  reflection  and maximum  absorption.    The  inner  tube  is 

coated with  a  special  selective  coating,  in  this  case  Al‐N/Al, which  gives  the  collector 

excellent  solar  radiation  absorption  and  minimal  reflection  properties.    A  vacuum  is 

created by fusing the top of these two tubes together and pumping out the air contained 

in  the space between  the  two  layers of glass.   A schematic of a single evacuate  tube  is 

given below. 

 

Figure 4: Single Evacuated Tube Model 

As  you  can  see  from  the  above  figure,  a  copper  heat  pipe  is  inserted  into  the  inner 

borosilicate tube.  This heat pipe works as a condenser, based on this principle that liquids 

boil at a  lower  temperature when  the  surrounding air pressure  is decreased. The  liquid 

used in the heat pipe is purified water.    

 

The heat pipes used in Apricus solar collectors have a boiling point of only 30°C, allowing 

any  liquid  in the heat pipe to vaporize  if the heat pipe  is heated above 30°C.   This water 

vapor rapidly rises to the top of the heat pipe, transferring heat along the heat pipe and 

exchanging  it  into the propylene glycol/water heat transfer fluid flowing  in the manifold.  

As the heat is lost at the top of the condenser, the water vapor condenses to form a liquid 

Page 18: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 8 Heather King

and returns to the bottom of the heat pipe to once again repeat the process.   The heat 

transfer fluid used in our application is a 50:50 propylene glycol water solution, in order to 

achieve  the  lower  freezing  point  necessary  for  northern  winters.    This  process  is 

diagramed in Figure 5. 

 

Figure 5:  Heat Pipe Schematic 

Figure 6: Heat Transfer Schematic 

Page 19: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 9 Heather King

The figure shown on the previous page illustrates the flow of heat through the evacuated 

tube  collector,  from  the  incident  solar energy  from  the  sun  collected by  the evacuated 

tubes,  to  the  transfer  of  heat  from  the  condenser  into  the water  running  through  the 

copper  header.    Once  heated,  the  water  in  the  copper  header  will  be  collected  in  a 

storage tank for future distribution into the university’s district heating system. 

 

2.2.2  Solar Water Flat‐Plate Collector 

At the time of completion of this thesis, an EnerWorks solar water flat‐plate collector had 

been ordered by the university, for  installation  in the “Eco‐Village”.   The EnerWorks flat‐

plate collector  is a high performance collector that boasts an absorbance rate of 94% of 

the  sun’s  energy  [14].    The  figure  below  shows  two  EnerWorks  flat‐plate  collectors 

mounted to a home in North America.    

 

 

Figure 7: EnerWorks Flat‐Plate Collector 

 

Solar  hot  water  flat‐plate  solar  collectors  follow  the  same  general  principle  as  an 

evacuated tube collector; however, the heat transfer process within the collector is much 

simpler  than  that of  the evacuated  tube  collector.   The diagram on  the  following page 

illustrates how the flat‐plate collector works.   

Page 20: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 10 Heather King

Figure 8: Flat‐Plate Collector Schematic 

 Energy from the sun strikes the flat, glazed surface of the collector, travelling through the 

glass surface to be absorbed by the absorber plate.   The heat obtained from this energy 

absorption warms up  the heat  transfer  fluid  that  is  flowing  through  the  collector.   This 

fluid flow enters the collector through an inlet pipe on one corner of the collector, travels 

through the fluid flow tubes, and exits the collector through an outlet tube located at the 

opposite corner of the collector.   From the outlet tube, heat is transferred through a heat 

exchanger  into a water flow.   This heated water  is collected  in a storage tank for future 

use. 

 

Detailed product specifications for the EnerWorks solar hot water flat‐plate collector to be 

installed on at the “Eco‐Village” can be found in Appendix A. 

 

2.2.3  Solar Air Flat‐Plate Collector 

The solar air flat‐plate collector works with exactly the same principles are the solar water 

flat‐plate collector, the one and only difference being that the fluid that circulates through 

the collector is air, not a heat transfer fluid such as water or a propylene glycol solution.  

 

Page 21: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 11 Heather King

A Sunsiaray Inc. Northern Comfort flat plate collector is to be installed at the “eco‐village”.  

An image of this collector can be seen in Figure 9 below. 

 

 

Figure 9: Sunsiaray Northern Comfort Flat‐Plate Collector 

2.2.4  Solar Wall Air Heating Solar Collector 

The solar wall  is a solar system for heating or pre‐heating ventilation air for buildings.   If 

you were to look at a building which contained a solar wall, it would simply look like the 

building was  composed of  conventional metal  cladding.    This metal  cladding, however, 

contains thousands of tiny perforations which allow fresh air to pass through on the way 

to the building’s heating and ventilation (HVAC) system.  As the air passes through these 

holes  into  the  building,  it  accumulates  free  heat  from  the  cladding,  which  has  been 

warmed by  the sun during  the day.   Ventilation  fans  installed  inside  the building create 

negative pressure to draw air  in through the perforations.   Once the warmed up air has 

passed through the solar wall it rises up to be collected into a distribution ducting system.  

One of the biggest benefits of solar walls is that they even work at night, as the heat that 

Page 22: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 12 Heather King

would otherwise escape freely from the building is captured within the face of the metal 

cladding and reused for ventilation pre‐heat.    

 

The image below shows a schematic of the principle of solar wall operation [16]. 

 

Figure 10: Solar Wall Schematic

Page 23: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 13 Heather King

3  SOLAR COLLECTOR LOCATION 

The absolute value of solar radiation available for utilization in a particular site on Earth is 

dependent on the relation between the location of the site and the location of the sun.  In 

order to maximize the amount of solar radiation available we must optimize the variables 

in this relation. 

 

The diagram below shows the variables that must be optimized [6]:   

Figure 11: Solar Geometry 

Page 24: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 14 Heather King

Where: 

A = the angle of elevation of the sun 

  Z = the azimuth angle of the sun 

  Φ = the azimuth angle from due south 

θ = the incident angle of the collector  

Ψ = the elevation angle 

Σ = the tilt angle of the plane 

 

In  order  to  show  the  variation  in  optimal  solar  collector  location  throughout  the  year, 

each variable has been calculated for the 1st of each month for the year 2007.  Appendix C 

shows  the  results  of  these  calculations.    Step  by  step  calculations  for  September  15th, 

2007 are shown in the proceeding sections. 

3.1  Geographical Location  The first variable that must be specified is the position coordinates of the solar collector.  

For calculation purposes we will use the coordinates of the eco‐village. 

The eco‐village has the following coordinates [5]: 

   

Location  Straw Bale BuildingService Street 1 SW University of Manitoba Winnipeg, MB Canada 

Latitude  49.81° N 

Longitude  97.13° W 

Elevation Above Sea Level 

238 m (781 ft) 

Table 3.1 ‐ Location of the Eco‐Village 

3.2  Incident Angle 

The  following section discusses the methodology  for calculating the  incident angle upon 

the  evacuated  tube  collector  installed  on  the  “eco‐village”.    Sample  calculations  for 

September 15th, 2007 are also  included.   The  incident angle  calculated  in  the  following 

Page 25: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 15 Heather King

sections  will  apply  to  both  evacuated  tube  and  flat‐plate  collectors  mounted  on  the 

University of Manitoba campus. 

 

3.2.1  Methodology 

The incident angle of the collector, θ, is the angle between the sun’s rays and the normal 

to the plane surface of the collector.  This angle is given by the following relation:  

 

)])[cos()(sin(cos))(cos(sincos ZAA   [3‐1] 

 

By calculating the  incident angle we can determine the optimum solar collector position 

relative to the sun. 

 

The following are the steps that must be followed to determine the incident angle of the 

sun  in  relation  to a  solar  collector  located at  the University of Manitoba.   For example 

purposes, calculations will be done for each step of the process for the date of September 

15th, 2007. 

 

Step 1: Calculate D, the angle of declination. 

The angle of declination, D, represents the amount by which the Earth’s north polar axis is 

tilted towards the sun.  This value varies on a daily basis and can be approximated by the 

following equation: 

)284(

365

360sin45.23 nD   [3‐2] 

Where: 

  n = the nth day of the year 

 Step 2: Calculate H, the hour angle. 

The hour angle, H, expresses the time of day in which one 24‐hour day is represented as 

360 degrees of angle. 

Page 26: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 16 Heather King

tH 15   [3‐3] 

Where: 

  t = the time in hours (decimally) from solar noon 

 

Step 3: Calculate A, the angle of elevation of the sun. 

The angle of elevation of the sun above the eco‐village can be calculated, on an hourly 

basis, by the following equation: 

 

))(sin(sin))(cos)(cos(cossin LDLHDA   [3‐4] 

Where: 

  D = the declination angle, calculated above. 

  H = the hour angle, calculated above. 

  L = the latitude of the collector site. 

 The angle of elevation will be positive above the horizon and negative below the horizon. 

 Step 4: Calculate Z, the azimuth angle of the sun. 

The azimuth angle of the sun, Z, can be calculated as follows: 

 

A

HDZ

cos

sincossin

  [3‐5] 

Where: 

D = the declination angle, calculated above. 

  H = the hour angle, calculated above. 

  A = the angle of elevation of the sun, calculated above. 

 The azimuth angle will be positive to the east and negative to the west, if measured from 

the south. 

  

Page 27: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 17 Heather King

Step  5:  Determine  the  optimum  tilt  angle  of  the  plane,  Σ,  and  the  optimum 

direction of the angle of tilt, Φ, to maximize the incident angle, θ. 

In order  to maximize  the amount of  solar  irradiance we want  to get  the  incident angle 

between the sun's rays and the normal to the plane surface of the collector to as close to 

zero as possible.  

 

Using equation [3‐1], where  )])[cos()(sin(cos))(cos(sincos ZAA , we can see 

that,  in order  to make   equal  to zero, we must set  cos equal  to 1.   By setting  cos  

equal  to 1,  the  solver  function  in Excel  can be used  to optimize  Σ,  the  tilt angle of  the 

plane, and Φ, the direction of the angle of tilt.    

 

3.2.2  Calculations 

The following computations use the methodology 

outlined in section 3.2.1 to optimize Σ, the tilt  

angle of the plane, and Φ, the direction of the 

angle of tilt, for September 15th, 2007.   

Complete, tabulated data is available in  

Appendix C for the 1st of every month from  

January 2007 to December 2007.     

   Step 1: Calculate D, the angle of declination. 

September 15th, 2007 is the 258th day of the year,  

therefore  258n . 

 

Using equation [3‐2],  

 

                       )]25.365

258284(2[45.23

D  

                       3616.23D  [degrees]    

Table 1: Hour Angle ‐ Sept 15/07  

Hour  t  H 

12:00 AM  10.60  159.00 

1:00 AM  11.60  174.00 

2:00 AM  12.60  189.00 

3:00 AM  13.60  204.00 

4:00 AM  14.60  219.00 

5:00 AM  15.60  234.00 

6:00 AM  16.60  249.00 

7:00 AM  17.60  264.00 

8:00 AM  18.60  279.00 

9:00 AM  19.60  294.00 

10:00AM  20.60  309.00 

11:00AM  21.60  324.00 

12:00 PM  22.60  339.00 

1:00 PM  23.60  354.00 

2:00 PM  0.60  9.00 

3:00 PM  1.60  24.00 

4:00 PM  2.60  39.00 

5:00 PM  3.60  54.00 

6:00 PM  4.60  69.00 

7:00 PM  5.60  84.00 

8:00 PM  6.60  99.00 

9:00 PM  7.60  114.00 

10:00 PM  8.60  129.00 

11:00 PM  9.60  144.00 

Page 28: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 18 Heather King

Step 2: Calculate H, the hour angle. 

On September 15th, 2007, solar noon occurred at 1:24 pm [7].  Using equation [3‐3], the 

hour angle can be calculated.  The table to the on the previous page shows the values of 

the hour angle, in degrees, for each hour of the 24‐hour clock for September 15th, 2007. 

Step 3: Calculate A, the angle of elevation of the sun. 

From Table 1, the latitude of the eco‐village is 49.81° N. 

 

By substituting values for D, H, and L into equation [3‐4] we can obtain a numerical result 

for sinA, and thus are able to calculate the angle of elevation of the sun above the eco‐

village, A for September 15th, 2007.  The following table shows these results: 

 

Hour  sinA  A 

12:00 AM  ‐0.57  ‐34.92 

1:00 AM  ‐0.61  ‐37.72 

2:00 AM  ‐0.61  ‐37.40 

3:00 AM  ‐0.56  ‐34.02 

4:00 AM  ‐0.47  ‐28.14 

5:00 AM  ‐0.35  ‐20.46 

6:00 AM  ‐0.20  ‐11.63 

7:00 AM  ‐0.04  ‐2.17 

8:00 AM  0.13  7.49 

9:00 AM  0.29  16.97 

10:00 AM  0.44  25.81 

11:00 AM  0.55  33.45 

12:00 PM  0.63  39.17 

1:00 PM  0.67  42.13 

2:00 PM  0.67  41.79 

3:00 PM  0.62  38.22 

4:00 PM  0.53  32.05 

5:00 PM  0.41  24.12 

6:00 PM  0.26  15.11 

7:00 PM  0.10  5.56 

8:00 PM  ‐0.07  ‐4.09 

9:00 PM  ‐0.23  ‐13.46 

10:00 PM  ‐0.38  ‐22.10 

11:00 PM  ‐0.49  ‐29.48 

12:00 AM  ‐0.57  ‐34.92 

Table 2: Angle of Elevation of the Sun above the Eco‐Village ‐ Sept 15/07 

Page 29: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 19 Heather King

The graph shown on the following page shows how the sun rises and falls during the 24‐

hour period of September 15th, 2007.   Sunrise occurs when the angle of elevation of the 

sun crosses the zero axes from a negative value to a positive one.  Likewise, sunset occurs 

when  the angle of elevation of  the sun crosses  the zero axes  from a positive value  to a 

negative value.  

Figure 12: Angle of Elevation of the Sun ‐ Sept 15/07 

Page 30: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 20 Heather King

Step 4: Calculate Z, the azimuth angle of the sun. 

By substituting values for D, H, and A into equation [3‐5] we can obtain a numerical result 

for sinZ, and thus are able to calculate the azimuth angle of the sun, Z, for September 15th, 

2007.   

 

The table below shows these results. 

 

 

Table 3: Azimuth Angle of the Sun ‐ Sept 15/07 

Hour  sinZ  Z 

12:00 AM  ‐0.44  ‐25.90 

1:00 AM  ‐0.13  ‐7.59 

2:00 AM  0.20  11.35 

3:00 AM  0.49  29.37 

4:00 AM  0.71  45.49 

5:00 AM  0.86  59.63 

6:00 AM  0.95  72.26 

7:00 AM  0.99  83.98 

8:00 AM  1.00  84.53 

9:00 AM  0.99  81.89 

10:00 AM  0.86  59.61 

11:00 AM  0.70  44.75 

12:00 PM  0.46  27.51 

1:00 PM  0.14  8.10 

2:00 PM  ‐0.21  ‐12.10 

3:00 PM  ‐0.52  ‐31.15 

4:00 PM  ‐0.74  ‐47.90 

5:00 PM  ‐0.89  ‐62.34 

6:00 PM  ‐0.99  ‐81.89 

7:00 PM  ‐1.00  ‐86.84 

8:00 PM  ‐0.99  ‐81.68 

9:00 PM  ‐0.94  ‐69.82 

10:00 PM  ‐0.84  ‐56.95 

11:00 PM  ‐0.67  ‐42.43 

12:00 AM  ‐0.44  ‐25.90 

Page 31: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 21 Heather King

Figure 13: Azimuth Angle of the Sun ‐ Sept 15/07 

 The graph shown above shows  the oscillation of  the azimuth angle of  the sun  for a 24‐

hour  period  on  September  15th,  2007.    It  can  be  seen  that  the  azimuth  angle  is  at  a 

maximum  to  the east at  sunrise, as  the  sun  rises  from  the east.   Likewise,  the azimuth 

angle is at a maximum to the west at sunset, as the sun sets to the west. 

 

Step  5:  Determine  the  optimum  tilt  angle  of  the  plane,  Σ,  and  the  optimum 

direction of the angle of tilt, Φ, to maximize the incident angle, θ. 

Using  equation  [3‐1],  the  values  for  A,  the  angle  of  elevation  of  the  sun,  and  Z,  the 

azimuth  angle  of  the  sun,  which  were  calculated  above,  and  the  solver  function  in 

Microsoft  Excel,  it was  possible  to  determine  optimum  values  for  the  tilt  angle  of  the 

plane,  Σ, and  the direction of  the angle of  tilt, Φ.   The optimum values  for  Σ and Φ  for 

September 15th, 2007 are shown in the table on the following page. 

Page 32: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 22 Heather King

Hour  Opt Σ  Opt φ  Max cosθ   Max θ  

12:00 AM  124.92  ‐25.90  1.00  0.00 

1:00 AM  127.72  ‐7.59  1.00  0.00 

2:00 AM  127.40  11.35  1.00  0.00 

3:00 AM  124.02  29.37  1.00  0.00 

4:00 AM  118.14  45.49  1.00  0.00 

5:00 AM  110.46  59.63  1.00  0.00 

6:00 AM  101.63  72.26  1.00  0.00 

7:00 AM  92.17  83.98  1.00  0.00 

8:00 AM  82.51  84.53  1.00  0.00 

9:00 AM  73.03  81.89  1.00  0.00 

10:00 AM  64.19  59.61  1.00  0.00 

11:00 AM  56.55  44.75  1.00  0.00 

12:00 PM  50.83  27.51  1.00  0.00 

1:00 PM  47.87  8.10  1.00  0.00 

2:00 PM  48.21  ‐12.10  1.00  0.00 

3:00 PM  51.78  ‐31.15  1.00  0.00 

4:00 PM  57.95  ‐47.90  1.00  0.00 

5:00 PM  65.88  ‐62.34  1.00  0.00 

6:00 PM  74.89  ‐81.89  1.00  0.00 

7:00 PM  84.44  ‐86.84  1.00  0.00 

8:00 PM  94.09  ‐81.68  1.00  0.00 

9:00 PM  103.46  ‐69.82  1.00  0.00 

10:00 PM  112.10  ‐56.95  1.00  0.00 

11:00 PM  119.48  ‐42.43  1.00  0.00 

Table 3.4 – Optimizing the Tilt Angle and Direction of the Tilt Angle of the Evacuated Tube Collector on the “Eco‐Village” 

 If we were to plot the curves of the optimum tilt angle and the direction of the tilt angle 

as the day progressed, we would see curves similar to the ones plotted on the following 

page for September 15th, 2007.   

 

The first plot shows the variation  in optimum tilt angle.  Please note that this graph only 

shows the values of the tilt angle that are equal to or less than 90°.  An angle greater than 

90° occurs when the sun is below the horizon; a time when irradiance levels are zero. 

 

The second plot shown is that of the change in the optimum direction of the angle of tilt 

as the day progresses.  It can be seen from the plot that the optimum tilt direction is 0°; 

the time at which the optimum direction of the collector is to face directly south.

Page 33: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 23 Heather King

Figure 3.4 – Optimum Tilt Angle: Sept 15/07 

Figure 3.5 – Optimum Direction of the Tilt Angle: Sept 15/07 

Determining  the most  beneficial,  constant  tilt  angle  for  the  evacuated  tube  collector 

however  is not as  simple.   The optimization of  this  constant angle will be discussed  to 

further depth in the following section.  

Page 34: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 24 Heather King

3.3  Solar Irradiance 

The  following  section  discusses  the  methodology  for  calculating  the  solar  irradiance 

directed upon a collector installed at the “eco‐village”.  Sample calculations for September 

15th, 2007 are also included. 

3.3.1 Methodology 

The amount of solar irradiance that reaches either the installed evacuated collector or the 

proposed  flat plate  collector  throughout  the day  is  related  to  the  incident angle of  the 

collector,  θ.   The  incident angle of  the collector  is  the angle  that a direct beam of  light 

from the sun makes with the  line normal to the plane of the collector, as seen  in Figure 

3.1.   

 

As discussed  in Section 3.2,  in order to receive optimum solar radiation on the plane of 

the collector, this angle should be set as close to zero as possible.   However, due to the 

fact that the sun is not a stationary object and rises and falls throughout the day, it is not 

possible  to  keep  this  angle  constantly  at  zero  unless  a  pivoting  solar  collector  was 

probable, which  is  not  the  case.    Thus,  in  order  to  optimize  the  amount  of  radiation 

received by  the  collector, we must determine  the  tilt angle  that accumulates  the most 

incident rays onto the plate throughout the day.  

 The  following two  formulas are utilized  in the proceeding section to determine the best 

tilt angle for the evacuated tube collectors.   The first equation that we will use is Equation 

[3‐1], 

)])[cos()(sin(cos))(cos(sincos ZAA   [3‐1] 

 

In this equation A and Z are known values.  The direction of the tilt angle, Φ, will be set to 

0°, as discussed in Section 3.2.2.  This leaves us with two variables, Σ, the tilt angle of the 

plane, and θ, the incidence angle of the collector.    

 

Page 35: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 25 Heather King

The  second  formula utilized  relates  the daily  solar  radiation values  for Winnipeg  to  the 

incidence angle of the collector [6].   This equation allows us to determine the  irradiance 

upon the collector as it varies throughout the day.   

 

cosNb II   [3‐6] 

Where: 

  bI = the direct radiation received by the collector 

  NI = the normal terrestrial solar radiation received at ground level  

 

Values  for  NI   can  be  obtained  from  RETScreen.    The  RETScreen  data  for  Winnipeg 

International Airport is included in Appendix B.  

3.3.2  Calculations  The evacuated tube collector that is currently installed on the “eco‐village” is mounted so 

that it faces directly south and has a tilt angle of 45°.  Therefore, Σ = 45° and Φ = 0°.  From 

the RETScreen data in Appendix B we can see that, for the month of September, the daily 

solar radiation,  NI , is 3.61 kWh/m²/d or 0.300833 kWh/m²/h.  Using Equations [3‐1] and 

[3‐6] with the values of Σ, Φ, and  NI  noted above and the values of A and Z as calculated 

in  the  previous  sections,  a  curve  of  the  direct  radiation  received  by  the  collector,  bI ,  

throughout  the day can be plotted  for September 15th, 2007.   This plot can be seen on 

page 27.    

Page 36: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 26 Heather King

Hour  A  Z  Σ  φ  cosθ  θ In 

[kWh/m²/h] Ib 

[kWh/m²/h] 

12:00 AM  ‐34.92  ‐25.90  45.00  0  0.116774  83.29406  0  0 

1:00 AM  ‐37.72  ‐7.59  45.00  0  0.12188  82.99939  0  0 

2:00 AM  ‐37.40  11.35  45.00  0  0.121307  83.03244  0  0 

3:00 AM  ‐34.02  29.37  45.00  0  0.115095  83.39089  0  0 

4:00 AM  ‐28.14  45.49  45.00  0  0.103666  84.04967  0  0 

5:00 AM  ‐20.46  59.63  45.00  0  0.0878  84.96296  0  0 

6:00 AM  ‐11.63  72.26  45.00  0  0.068577  86.06774  0  0 

7:00 AM  ‐2.17  83.98  45.00  0  0.047307  87.28847  0  0 

8:00 AM  7.49  84.53  45.00  0  0.15901  80.85058  0.300833  0.05 

9:00 AM  16.97  81.89  45.00  0  0.301765  72.43636  0.300833  0.09 

10:00 AM  25.81  59.61  45.00  0  0.629878  50.95885  0.300833  0.19 

11:00 AM  33.45  44.75  45.00  0  0.808808  36.02035  0.300833  0.24 

12:00 PM  39.17  27.51  45.00  0  0.93284  21.11805  0.300833  0.28 

1:00 PM  42.13  8.10  45.00  0  0.993521  6.525449  0.300833  0.30 

2:00 PM  41.79  ‐12.10  45.00  0  0.986717  9.349024  0.300833  0.30 

3:00 PM  38.22  ‐31.15  45.00  0  0.912891  24.09208  0.300833  0.27 

4:00 PM  32.05  ‐47.90  45.00  0  0.777073  39.00663  0.300833  0.23 

5:00 PM  24.12  ‐62.34  45.00  0  0.58852  53.94791  0.300833  0.18 

6:00 PM  15.11  ‐81.89  45.00  0  0.280605  73.70371  0.300833  0.08 

7:00 PM  5.56  ‐86.84  45.00  0  0.107324  83.8389  0.300833  0.03 

8:00 PM  ‐4.09  ‐81.68  45.00  0  0.051657  87.03896  0  0 

9:00 PM  ‐13.46  ‐69.82  45.00  0  0.07263  85.83495  0  0 

10:00 PM  ‐22.10  ‐56.95  45.00  0  0.09128  84.76275  0  0 

11:00 PM  ‐29.48  ‐42.43  45.00  0  0.106337  83.89582  0  0 

Table 4: Direct Radiation Received by the Collector ‐ Sept 15/07 

Page 37: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 27 Heather King

The  plot  below  shows  how  the  incident  radiation  upon  the  evacuated  tube  collector 

increase as the day moves towards mid‐day, then falls again as the afternoon progresses. 

Figure 14: Direct Radiation Received with a Tilt Angle of 45° ‐ Sept 15/07 

One of the aims of this thesis was to determine the optimum tilt angle; the angle in which 

the most irradiance would be collected by the evacuated tube collector throughout the 

period of one day.  In order to compare the potentials of different tilt angles, the above 

calculations were done while varying the tilt angle, Σ.  As with the example above, the 

direction of tilt, Φ, was set to 0°.    

 

The plot on the following page shows the direct radiation received by the evacuated tube 

collector,  bI ,  as the day of September 15th, 2007 progresses for tilt angles of 5°, 15°, 25°, 

35°, 45°, 55° and 65°.  From this it can be concluded that the optimum tilt angle is 50°, 

however any tilt value in the range of 45° to 55° would produce optimal results. 

Page 38: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 28 Heather King

Figure 15: Varying Degrees of Tilt Angle 

Figure 16: Comparison of 40° ‐ 50° Tilt Angles 

Page 39: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 29 Heather King

3.4  Chapter Summary  Analysis on the location of the sun with regards to the evacuated tube collector currently 

installed  on  the  “eco‐village”  has  allowed  me  to  determine  the  optimum  mounting 

location for an evacuated tube or flat plate collector.   

 The following table summarizes these results:  

Location Flat, horizontal surface, such as a roof top or an empty field. 

Tilt Angle, Σ  50°

Direction of Tilt Angle, Φ 0° (South Facing)

Table 5: Summary of Location Results 

Page 40: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 30 Heather King

4 HEAT TRANSFER ANALYSIS 

The following section examines the transfer of heat through the Apricus evacuated tube 

collector and the EnerWorks flat‐plate collector.  A heat transfer model is created for each 

collector and the overall efficiencies of the individual collectors are determined.  

 

4.1     Evacuated Tube Collector Efficiency 

The proceeding section discusses and outlines the methodology used to calculate the 

working efficiency of the Apricus evacuated tube collector that is installed at the “eco‐

village” at the University of Manitoba.  In order for these calculations to be accurately 

applied, the necessary data must be acquired from the solar collector system, through the 

use of data acquisition equipment. 

 

4.1.1  Methodology 

Figure 17 below shows a schematic of a single evacuated tube, comparable to one of the 

tubes used  in the collector currently mounted at the “eco‐village”.   This tube consists of 

an outer  glass  cover which  acts  as  an envelope  around  a  fin plate, which  is  selectively 

coated  and  attached  to  a  heat  pipe  absorber.    The  energy  obtained  from  the  solar 

radiation  incident on  the collector  travels as heat and  is  transferred  from  the heat pipe 

evaporator fluid to the heat pipe condenser, and finally to the fluid flowing through the 

manifold.  

Figure 17: "Eco‐Village" Collector Schematic 

Page 41: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 31 Heather King

The heat flow through the evacuated tube to the manifold can be modeled as a thermal 

circuit.   This model allows us to simplify the system for use  in the following calculations.  

Shown below  is  the  thermal circuit equivalent of an evacuated  tube  [8], as  seen  in  the 

“eco‐village” solar collector.   

Figure 18: Equivalent Thermal Circuit  

In the above diagram the nomenclature is as follows: 

  icA , = collector tube inner diameter times collector length 

  ocA , = collector tube outer diameter times collector length 

  ihA , = heat pipe inner diameter times collector length 

  ohA , = heat pipe outer diameter times collector length 

och , = heat transfer coefficient of the outer surface of the collector tube                         

hmh = heat transfer coefficient between the heat pipe fluid and the manifold     

fluid 

aT = ambient air temperature 

  cT = mean temperature of the collector tube 

  hT = mean temperature of the heat pipe 

  ifT , = temperature of the fluid in the manifold before heating occurs 

  effI = the effective solar radiation on the collector 

LQ.

= thermal energy lost to the environment 

hmQ.

= thermal energy transferred from the heat pipe fluid to the manifold fluid 

Page 42: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 32 Heather King

LU = the overall heat loss coefficient 

 = the product of the absorptivity and transmitivity of the glass tube  

 Assuming  steady‐state conditions, Norton  (1992) and Tiwari  (2002) describe  the  rate of 

useful energy produced by the evacuated tube collector, in Watts, as: 

)]()[(,

.

afiLeffocru TTUIAFQ   [4‐1] 

 Where: 

  rF , the flow rate factor, is equal to: 

 

)1()(

1

,

,

ph

L

ohhm

ocLr

h

U

Ah

AUF   [4‐2] 

 And, 

  phh = heat transfer coefficient between the fin plate and the heat transfer  

            pipe     Once  the  rate  of  useful  thermal  energy  is  determined,  the  efficiency of  the  evacuated 

tube collector can be calculated as: 

oceff

u

AI

Q

,

.

  [4‐3] 

  The  following outline  the  steps  taken  to  calculate  the efficiency of  the evacuated  tube 

collector installed at the “eco‐village”: 

 

Step 1: Calculate hc,o, the heat transfer coefficient of the outer surface of the 

collector tube. 

 

The heat transfer coefficient of the collector tube can be calculated as: 

Page 43: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 33 Heather King

ihoc

acaccoc AA

TTTTVh

,,

22

,

))((8.37.5

  [4‐4] 

Where: 

c = emissivity of the glass collector tube 

= Stefan‐Boltzmann constant = 5.67 x 10‐8 W/m²∙K4 

  V = mean velocity of the air flowing over the evacuated tube collector 

Step 2: Calculate hc,i, the heat transfer coefficient of the evacuated envelope 

(inner surface of the collector tube). 

 

The heat transfer coefficient of the  inner surface of the collector tube can be calculated 

as: 

)ln(2 ,

,,,

ic

ocoh

cic

DDDk

h   [4‐5] 

Where: 

  ocD , = outer diameter of the collector tube 

  icD , = inner diameter of the collector tube 

  ohD , = outer diameter of the heat transfer pipe 

  ck  = thermal conductivity of the glass collector tube 

  Step 3: Calculate hh,o, the heat transfer coefficient of the outer surface of the heat 

transfer pipe. 

 

The  heat  transfer  coefficient  of  the  outer  surface  of  the  heat  transfer  pipe  can  be 

calculated as: 

)()1(1)1(

))((

,

,

22

,

ic

ih

c

c

evach

h

chchoh

AA

F

TTTTh

  [4‐6] 

 Where: 

  c = emissivity of the collector tube 

  h = emissivity of the heat transfer pipe 

Page 44: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 34 Heather King

  evacF = the shape factor between the selectively coated outer surface of the  

              heat pipe and the inner surface of the collector tube   

 Step 4: Determine the overall heat loss coefficient of the collector,  LU . 

 

The overall heat loss coefficient of the collector can be calculated as: 

 

ocicoh

L

hhh

U

,,,

1111

  [4‐7] 

 

Where  the  heat  transfer  coefficients  ohh , ,  ich ,   and  och , were  calculated  in  the  previous 

three steps. 

 

 Step  4:  Calculate  hhm,  the  heat  transfer  coefficient  between  the  heat  pipe 

condenser and the fluid flowing through the manifold. 

 

The  heat  transfer  coefficient  between  the  heat  pipe  condenser  and  the  fluid  flowing 

through the manifold can be calculated as external flow over a cylinder in cross flow.  This 

heat transfer can be expressed as: 

 

h

ocondD

hm k

DNuh ,   [4‐8] 

Where:  

  ocondD , = outer diameter of the heat transfer condenser 

  hk  = thermal conductivity of the copper condenser   

  DNu = Nusselt number of the fluid flowing through the manifold 

 

In order to calculate DNu , the Nusselt number of the fluid flowing through the manifold, 

we first need to calculate the Reynolds number of that fluid. 

Page 45: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 35 Heather King

The Reynolds number,  mRe , can be calculated as follows: 

focond

fm D

m

,

4Re

  [4‐9] 

Where: 

  fm

= the flow rate of the fluid through the manifold 

  f = dynamic viscosity of the fluid within the heat pipe 

Once  the  Reynolds  number  of  the  heat  transfer  fluid  within  the  manifold  has  been 

determined, the value can be substituted  into the following Churchill and Bernstein [15] 

correlation for a cylinder in cross flow: 

 

5/48/5

4/13/2

3/12/1

282000

Re1

]Pr)/4.0(1[

PrRe62.03.0

DmD

DNu   [4‐10] 

Where: 

mPr = Prandtl number of the heat transfer fluid in the manifold 

 

Substituting the value for the average Nusselt number obtained by the above correlation 

into equation  [4‐8],  the heat  transfer coefficient between  the heat pipe condenser and 

the heat transfer fluid flowing through the manifold can be calculated.  

  

Step 5: Calculate  phh  , the heat transfer coefficient between the fin plate and the 

heat transfer pipe fluid.  Flow between the fin plate and the heat transfer pipe fluid can be considered as flow over 

a flat plate.  This flow will be assumed to be laminar.   

 

The first step to calculating this value  is to determine the Reynolds number of the  liquid 

within the heat transfer pipe.   

 

Page 46: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 36 Heather King

This can be done by using the following relations: 

 

LU

pRe   [4‐11] 

Where: 

  U = the velocity of the liquid within the heat transfer pipe 

  L = the length of the heat transfer pipe 

  = the kinematic viscosity of the liquid in the heat transfer pipe. 

 Please note that since the velocity of the liquid within the heat transfer pipe, in this case 

purified water, is not known, we will assume it to be very small (~0.0001 m/s). 

 

Once  the Reynolds number has been determined,  the  following  relation can be used  to 

find the heat transfer coefficient between the fin and the heat transfer pipe. 

 

L

kh finpp

ph

3/12/1 PrRe664.0   [4‐12] 

Where: 

  pPr  = the Prandtl number of the fluid within the heat transfer pipe 

  fink = the thermal conductivity of the fin plate 

  

Step 6: Calculate  rF , the flow rate factor of the evacuated tube collector. 

 Using equation [4‐2], as shown below, and the values calculated above for  LU ,  hmh , and 

phh , the flow rate factor of the evacuated tube collector can be calculated. 

 

)1()(

1

,

,

ph

L

ohhm

ocLr

h

U

Ah

AUF   [4‐2] 

  

Page 47: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 37 Heather King

Step 7: Calculate 

Q  , the rate of useful energy produced by the collector. 

Using equation  [4‐1], as shown below, and  the values calculated above  for  rF  and  LU , 

the rate of useful energy produced by the evacuated tube collector can be calculated. 

 

)]()[(,

.

afiLeffocru TTUIAFQ   [4‐1] 

  

 Step 8: Calculate  , the instantaneous efficiency of the evacuated tube collector.  

Using  equation  [4‐3],  as  shown  below,  and  the  value  of  uQ

  calculated  in  step  7,  the 

instantaneous efficiency of the evacuated tube can be calculated. 

 

oceff

u

AI

Q

,

.

  [4‐3] 

The  eight  steps  described  in  the  preceding  section  can  be  used  to  calculate  the 

instantaneous  efficiency  of  the  Apricus  evacuated  tube  solar  water  collector  that  is 

currently  installed  at  the  University  of Manitoba’s  “eco‐village”.    As  an  alternative  to 

manually calculating each step of the sequence, a Microsoft Excel spreadsheet has been 

derived  which  calculates  the  instantaneous  efficiency  of  the  Apricus  evacuated  tube 

collector based on the variable input parameters of the solar collector system (mass flow 

rate, wind  velocity,  collector  temperature,  ambient  air  temperature  and manifold  fluid 

temperature).   This program  can be  found  in  the disk attached  to  the appendix of  this 

thesis report.  

Page 48: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 38 Heather King

4.1.2 Calculations As  previously mentioned,  a Microsoft  Excel  spreadsheet was  created  to  calculate  the 

instantaneous efficiency of the Apricus evacuated tube collector.  This spreadsheet takes 

seven variable parameter  inputs and, along with  the known  collector and heat  transfer 

fluid parameters, calculates the efficiency of the Apricus evacuated tube collector.   

 

The seven variable inputs necessary for the spreadsheet to calculate the efficiency are: 

1. The temperature of the ambient air surrounding the collector, in degrees K. 

2. The temperature of the heat transfer fluid entering the manifold, in degrees K. 

3. The mean temperature of the collector tube, in degrees K. 

4. The mean temperature of the heat pipe, in degrees K. 

5. The mass flow rate, in kg/s, of the liquid within the heat pipe. 

6. The velocity of the air flow over the collector, in m/s. 

7. The month of the year.  A scroll down menu is available for the user to choose the 

month of the year that the preceding three parameters were collected.  Once the 

month  of  the  year  is  known,  the  spreadsheet  can  calculate  the  appropriate 

incident radiation value received by the collector. 

 Unfortunately, since the data acquisition equipment necessary to log the required inputs 

from the Apricus evacuated tube collector have not been received at the “eco‐village” at 

this time, no data readings were available for the input values in order to run a test of the 

program.    In  lieu of entering obtained data as the  input values, a theoretical calculation 

will be applied to test to efficiency calculator program.  

 For this theoretical calculation, the following input parameters will be used: 

1. aT = 293 K = 20 °C      5. 

m  = 0.0001 kg/s   

2. fT = 288 K = 15 °C      6.  V = 0. 1 m/s 

3.    tubeT = 298 K =  25 °C      7.  Month of the Year = September 

       4.     pipeT = 303 K = 30 °C 

 

Page 49: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 39 Heather King

The image below shows the results of this calculation using the excel spreadsheet: 

Apricus Evacuated Tube Collector Efficiency Calculator

Required Inputs:  Ambient Air Temperature:  293  [K] 

            Temperature of Fluid flowing into the Manifold:  288  [K] 

Mean Temperature of the Collector Tube:  298  [K] 

Mean Temperature of the Heat Transfer Pipe:  303  [K] 

Air Flow Velocity over the Collector:  0.1  [m/s] 

Flow Rate of Heat Transfer Fluid in the Heat Pipe:  0.0001  [kg/s] 

Month of the Year:  September    

Known Collector Parameters:       

Collector Tube Length:  1.8000  [m] 

Heat Pipe Length:  1.8000  [m] 

Collector Tube Outer Diameter:  0.0580  [m] 

Collector Tube Inner Diameter:  0.0480  [m] 

Heat Pipe Outer Diameter:  0.0080  [m] 

Heat Pipe Inner Diameter:  0.0073  [m] 

Condenser Outer Diameter:  0.0200  [m] 

Shape Factor between Heat Pipe and Collector Surfaces:  0.5000    

Emissivity of the Glass Collector Tube:  0.9250    

Emissivity of the Copper Heat Transfer Pipe:  0.0500    

Stefan‐Boltzmann Constant:  5.67E‐08  [W/m²∙K^4] 

Thermal Conductivity of the Copper Fin Plate:  4.01E+02  [W/m‐K] 

Thermal Conductivity of the Condenser:  4.01E+02  [W/m‐K] 

Thermal Conductivity of the Glass Collector Tube:  1.4  [W/m‐K] 

Heat Transfer Fluid Kinematic Viscosity:  0.00813  [N∙s/m²] 

Prandtl Number of Manifold Heat Transfer Fluid:  1.39615    

Prandtl Number of Heat Pipe Fluid:  5.5    

Effective Radiation Incident on Collector:  285.9  [W/m²] 

Velocity of Liquid in the Heat Transfer Pipe:  0.001  [m/s] 

Kinematic Viscosity of Liquid in the Heat Transfer Pipe:  8.33E‐07  [m²/s]             Collector Absorptance:  0.94    

Calculated Collector Parameters:       

Collector Tube Outer Surface Area:  0.1044  [m²] 

Collector Tube Inner Surface Area:  0.0864  [m²] 

Heat Transfer Pipe Inner Surface Area:  0.0131  [m²] 

            Condenser Outer Surface Area:  0.0006  [m²] 

Collector Tube Outer Surface Heat Transfer Coefficient:  1.4466  [W/m²·K] Collector Tube Inner Surface Heat Transfer Coefficient:  1849.4837  [W/m²·K] 

Heat Transfer Pipe Outer Surface Heat Transfer Coefficient:  13222.1196  [W/m²·K] Collector Overall Heat Loss Coefficient:  1.4453  [W/m²∙°C] 

Manifold Heat Transfer Fluid Reynolds Number:  0.7831    

Manifold Heat Transfer Fluid Nusselt Number:  0.8604    

Heat Transfer Coefficient Between Heat Pipe Condenser and Manifold Fluid:  4.2915E‐05  [W/m²·K] Reynolds Number of Fluid in the Heat Transfer Pipe:  2160.0864    

Heat Transfer Coefficient Between Fin Plate and Heat Pipe Fluid:  12135.6508  [W/m²·K] Flow Rate Factor:  0.7899    

Rate of Useful Energy from the Collector:  22.7572  [W] 

Efficiency:  76.24  % 

Figure 19: Evacuated Tube Efficiency Calculator

Page 50: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 40 Heather King

4.2  Flat‐Plate Collector Efficiency 

 The proceeding section follows the same general principles in describing the methodology 

and  calculations  used  to  determine  the working  efficiency  of  the  EnerWorks  flat‐plate 

collector, as were used to determine the working efficiency of the Apricus evacuated tube 

collector.    Variation,  however,  can  be  seen  in  the  formulae  utilized  for  the  flat‐plate 

collector from those used in analyzing the efficiency of the evacuated tube collector. 

 

As mentioned  in the previous section, the necessary data must be acquired  for the  flat‐

plate system before any calculations can be carried out. 

 4.2.1  Methodology 

Assuming steady‐state conditions and pump forced flow, Norton (1992) and Tiwari (2002) 

describe the rate of useful energy from the collector, in Watts, as: 

)]()[(.

afLeffcRu TTUIAFQ   [4‐10] 

 Where: 

  cA  = flat plate collector area 

 

  RF , the collector heat removal factor, is equal to: 

 

f

LC

Lc

fR

mC

FUA

UA

CmF

'

exp1   [4‐11] 

  

  'F , the collector efficiency factor, is equal to:  

))(

()(

1'

FDWD

W

hD

WUF

L

  [4‐12] 

      

Page 51: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 41 Heather King

F, the fin efficiency, is equal to:  

2/)]([

2/)](tanh[

DWm

DWmF

             [4‐13] 

 

       k

Um L                             [4‐14] 

 In which, 

  W = distance between centre of two tubes 

  D = outer diameter of the tube 

  k = thermal conductivity of the tube  

  δ = thickness of the tube  

  h = convective heat transfer coefficient from the inner tube to the fluid 

   Once  the  rate  of  useful  thermal  energy  is  determined,  the  efficiency  of  the  flat‐plate 

collector can be calculated as: 

ceff

u

AI

Q.

  [4‐15] 

  Unlike with evacuated  tube  collectors,  the overall heat  loss  coefficient of  the  flat‐plate 

collector, UL, is a known value.  Tiwari and Ghosal (2005) state that the value of the overall 

heat transfer coefficient for a flat plate collector with a single glass cover at an inclination 

angle, in an operating range of ambient to 70°C, can be considered as UL = 7.5 W/m² °C.    

 

Therefore, the only variable left to calculate is h, the convective heat transfer coefficient 

from the  inner tube to the fluid.   The steps needed to calculate this value are shown on 

the next page. 

 

 

 

Page 52: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 42 Heather King

Step 1: Determine  DRe , the Reynolds number of the heat transfer fluid within 

the tube. 

 

The Reynolds number within the  inner heat transfer tubes of the flat‐plate collector can 

be determined using the following formula: 

D

mD

4

Re   [4‐16] 

Where: 

m = flow rate of the heat transfer fluid through the heat transfer tubes 

= viscosity of the heat transfer fluid 

 

Step 2: Determine the Nusselt number of the heat transfer fluid within the tube. 

 

Fluid  flow within  the  inner  tubes of  the  flat‐plate collector can be described as  laminar 

internal flow.     In a circular tube that  is characterized by a uniform surface heat flux and 

laminar, fully developed flow, the Nusselt number is a constant; it is independent of  DRe , 

Pr, and axial location.  Therefore, 

36.4Nu   [4‐17] 

 

Step 3: Determine h, the convective heat transfer coefficient from the inner tube 

to the heat transfer fluid. 

 

The convective heat transfer coefficient from the inner tube to the heat transfer fluid can 

be determined by combining equation [4‐17] and the following relation. 

 

36.4k

hDNuD   [4‐18] 

  

Page 53: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 43 Heather King

Once the heat transfer coefficient between the inner tube and the heat transfer fluid has 

been determine, the fin efficiency, collector efficiency factor, and collector heat removal 

factor  can  be  determined.    This  then  allows  for  the  rate  of  useful  energy  from  the 

collector to be calculated, by utilizing equation [4‐10], as shown. 

 

)]()[(.

afLeffcRu TTUIAFQ   [4‐10] 

  

The instantaneous efficiency of the EnerWorks flat‐plate solar water collector can thus be 

determined by applying equation [4‐15]: 

ceff

u

AI

Q.

  [4‐15] 

 As  an  alternative  to manually  calculating  each  step of  the  sequence,  a Microsoft  Excel 

spreadsheet  has  been  derived  which  calculates  the  instantaneous  efficiency  of  the 

EnerWorks  flat‐plate  collector  based  on  the  variable  input  parameters  of  the  solar 

collector  system  (mass  flow  rate,  ambient  air  temperature,  and  heat  transfer  fluid 

temperature).   This program  can be  found  in  the disk attached  to  the appendix of  this 

thesis report.  

4.2.2 Calculations  As  mentioned  above,  a  Microsoft  Excel  spreadsheet  was  created  to  calculate  the 

instantaneous efficiency of  the  EnerWorks  flat‐plate  collector.    This  spread  sheet  takes 

four variable parameter inputs and, along with the known collector and heat transfer fluid 

parameters, calculates the instantaneous efficiency of the EnerWorks flat‐plate collector.   

 

The four variable inputs necessary for the spreadsheet to calculate the efficiency are: 

1. The temperature of the ambient air surrounding the collector, in degrees K. 

2. The temperature of the heat transfer fluid entering the collector, in degrees K. 

3. The mass flow rate, in kg/s, of the heat transfer fluid entering the collector. 

Page 54: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 44 Heather King

4. The month of the year.  A scroll down menu is available for the user to choose the 

month of the year that the preceding three parameters were collected.  Once the 

month  of  the  year  is  known,  the  spreadsheet  can  calculate  the  appropriate 

incident radiation value received by the collector. 

 

Unfortunately, since the EnerWorks flat‐plate collector and the necessary data acquisition 

equipment, have not been received and installed at the “eco‐village” at this time, no data 

readings were available for the input values in order to run a test of the program.  In lieu 

of entering obtained data as the  input values, a theoretical calculation will be applied to 

test to efficiency calculator program.  

 For this theoretical calculation, the following input parameters will be used: 

1. aT = 293 K = 20 °C      3.  

m  = 0.0001 kg/s   

2. fT = 288 K = 15 °C      4.  Month of the Year = September 

 The  image  on  the  next  page  shows  the  results  of  this  calculation  using  the  excel 

spreadsheet. 

 

Page 55: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 45 Heather King

  

EnerWorks Flat-Plate Collector Efficiency Calculator

Required Inputs:       

Mass Flow Rate of Heat Transfer Fluid:  0.0001  [kg/s] 

Ambient Air Temperature:  293  [K] 

Mean Heat Transfer Fluid Inlet Temperature:  288  [K] 

Month of the Year: September    

Known Collector Parameters:       

Outer Diameter of Heat Transfer Tube:  0.01  [m] 

Heat Transfer Tube Length:  2.445  [m] 

Viscosity of Heat Transfer Fluid:  0.00813  [N∙s/m²] 

Nusselt Number of the Heat Transfer Fluid:  4.36    

Thermal Conductivity of the Heat Transfer Tube:  401  [W/m·K] Overall Collector Heat Loss Coefficient:  7.5  [W/m²∙°C] 

Distance Between Centre of 2 Heat Transfer Tubes:  0.02  [m] 

Thickness of Heat Transfer Tube:  0.001  [m] 

Specific Heat of the Heat Transfer Fluid:  795  [J/kg·K]  Effective Radiation Incident on the Collector:  285.9  [W/m²] 

Collector Absorptance:  0.94    

        

Calculated Collector Parameters:       

Flat‐Plate Collector Area:  0.02445  [m²] Reynolds Number of the Heat Transfer Fluid:  1.5661    

Heat Transfer Coefficient from the Inner Tube to the Fluid:  174836  [W/m²·K] Fin Efficiency:  0.9994    

Collector Fin Efficiency:  0.9997    

Collector Heat Removal Factor:  0.3903    

Rate of Useful Energy from the Collector:  2.9226  [W] 

        

Collector Efficiency:  41.8  % 

 Figure 20: Flat‐Plate Collector Efficiency Calculator 

From the efficiency calculator output shown  in Figure 20,  it can be seen that, during the 

month of September, if the ambient air surrounding the collector is at 25°C and the heat 

transfer fluid flowing through the collector at a mass flow rate of 0.0001 kg/s is measured 

to  have  a mean  temperature  of  45°C,  the  efficiency  of  the  collector  at  that  instant  is 

41.8%.   

Page 56: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 46 Heather King

It should be noted that the heat transfer fluid used in the EnerWorks flat‐plate collector is 

a  50:50  propylene  glycol water  solution.   All  heat  transfer  fluid  properties  used  in  the 

efficiency calculator spreadsheet are for a 50:50 propylene glycol water solution. 

Page 57: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 47 Heather King

5  ECONOMIC ANALYSIS

In order  to determine  the  energy potential of  installing  solar  collectors on  campus,  an 

economic analysis must be undertaken.   This analysis will  look at the cost of purchasing 

and  installing  a  system  of  solar  collectors,  the  number  of  solar  collectors  needed  to 

substantially affect the current district heating system at the University of Manitoba, and 

finally, the pay‐back period that installing a system of collectors would produce. 

 

5.1  Background 

The  University  of Manitoba’s  powerhouse  currently  has  6  steam  boilers  in  operation.  

These boilers are mainly used  for domestic hot water and  reheat, with  the distribution 

being approximately as follows:  

 

 

Figure 21: Distribution of Powerhouse Boiler Usage 

 Of  the  six  boilers  in  operation  at  the  powerhouse,  boiler  5  and  boiler  6  are  summer 

boilers, each with an operating capacity of 15,000 lbs of steam per hour.  In order to look 

at  the potential of  installing a  system of  solar collectors on campus, an analysis will be 

undertaken  in which the cost of replacing one of these boilers with solar energy will be 

determined.   

Page 58: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 48 Heather King

The following table summarizes the number of days boilers 5 and 6 were  in operation  in 

2006, along with the quantity of steam produced each month [10]. 

 

Operating Days Boiler 5 

Steam Produced [klbs] 

Operating Days Boiler 6 

Steam Produced [klbs] 

JAN  0  0  0  0 

FEB  0  0  0  0 

MAR  0  0  0  0 

APR  4  49  0  0 

MAY  3  86  20  3129 

JUN  2  246  2  246 

JUL  21  4336  21  4336 

AUG  31  7350  31  7350 

SEP  9  2270  8  1954 

OCT  7  511  8  574 

NOV  0  0  0  0 

DEC  0  0  0  0 

TOTAL  77   14848  90  17589 

Table 6: Days of Operation in 2006 ‐ Boilers 5 and 6  

 

Both boilers 5 and 6 have an average operating efficiency of 81% and operate for roughly 

the same amount of days per month [10].  For analysis sake, the following discussion will 

determine the potential of replacing the heat obtained from boiler 5 with solar energy. By 

taking  the  total  pounds  of  steam  produced  by  boiler  5  in  August,  as  is  the  dominant 

month for use of the boiler, it can be seen that the boiler produces, at most, 9879  lbs of 

steam per hour during August.   

 

The following shows the conversion used to obtain this value: 

 

Convert to lbs/hour: hours

day

days

month

klbs

lbsklbs

24

1

31

110007350 = 9879 lbs/hour 

 

Page 59: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 49 Heather King

5.2  Boiler Energy Analysis 

In order to eliminate the use of boiler 5, the equivalent to 9879 lbs/hour of steam must be 

able  to be produced by  a  system of  solar  collectors.    The  following  relation  is used  to 

determine the amount of power, in KW, that this flow rate of steam produces: 

 

3600es hm

Q

    [5‐1] 

 

Where: 

  sm

= steam flow rate (kg/h) 

  sh = specific enthalpy of evaporation of steam at working pressure (kJ/kg) 

  Q = heat transferred from the steam (kW) 

 

Noting  that 9879  lbs/hour  is equivalent  to 4481 kg/h, and  that  the  specific enthalpy of 

evaporation of  steam at 100 psi  (the working pressure)  is 267.1 kJ/kg  [11], we  can  see 

that: 

5.3323600

)1.267)(4481(Q kW 

 

Therefore, a system of collectors must be able to produce ~332.5 kW in order for boiler 5 

to be eliminated from the district heating system. 

  

5.3  Collector Energy Analysis 

As the solar collectors have not yet been tested to determine their working efficiencies, all 

energy analysis calculations will be done using the theoretical efficiency of the collectors, 

as given on their respective product specification sheets.   

 

Page 60: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 50 Heather King

These efficiencies are as follows: 

Product  Efficiency

Apricus Evacuated Tube Collector 0.717

EnerWorks Flat‐Plate Collector I

TT

I

TT aiai2)(0187.0)(014.4

7166.0

 

Table 7: Theoretical Collector Efficiencies 

 

The  Solar  Rating  &  Certification  Corporation  (SRCC)  breaks  the  different  heating 

applications into the following categories: 

(T inlet – T ambient)  Heating Application 

A                               ‐5 °C  Pool heating in warm climate. 

B                                5 °C Pool heating in cool climate. 

C                                20 °C  Water heating in warm climate. 

D                               50 °C  Water heating in cool climate. 

E                                90 °C  Industrial process water heating. 

Table 8: SRCC Heating Applications 

During the summer months, when boiler 5 is operational, the climate in Winnipeg can be 

described as warm.  Therefore, in order to determine the efficiency of the EnerWorks Flat‐

Plate collector,  )( ai TT will be set to 20 °C. 

 

From the RETScreen data for Winnipeg International Airport, provided in Appendix B, the 

daily solar radiation,  in W/m² can be calculated based on the average monthly hours of 

sunlight.  These values can be seen in Table 9.  

 

 

 

 

 

 

 

Page 61: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 51 Heather King

Month Daily Solar Radiation

[kWh/m²/d] Average Monthly Hours of Sunlight 

[W/m²] 

JAN  1.39 8.75 158.9 

FEB  2.39 10.15 235.5 

MAR  3.75 12 312.5 

APR  4.97 13.75 361.5 

MAY  5.78 15.375 375.9 

JUN  6.17 16.125 382.6 

JUL  6.33 15.75 401.9 

AUG  5.28 14.375 367.3 

SEP  3.61 12.625 285.9 

OCT  2.19 10.75 203.7 

NOV  1.31 9.125 143.6 

DEC  1.03 8.251 124.8 

ANNUAL  3.69 12.25 301.2 

Table 9: Solar Radiation Values 

For the month of August, in which boiler 5 is most prominently used, it can be seen that 

the daily solar radiation value is 367.3 W/m². 

 

In  order  to  estimate  the  theoretical  efficiency  of  the  EnerWorks  solar  collector  during 

August, I, the solar irradiance incident upon the collector, will be set as 367.3 W/m².  The 

efficiency can be calculated as: 

I

TT

I

TT aiai2)(0187.0)(014.4

7166.0

3.367

)20(0187.0

3.367

)20(014.47166.0

2

 

4776.0

 

 

 

 

Page 62: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 52 Heather King

The following table summarizes the number of solar collectors needed to obtain enough 

heat energy from solar radiation to eliminate the use of boiler 5.

Collector Solar 

Radiation for August [W/m²] 

Efficiency 

Solar Energy Converted to Heat Energy [W/m²] 

Collector Absorber Area [m²] 

Solar Energy Converted to Heat Energy 

[W] 

Number of Collectors Needed to Produce 332.5 

kW of Heat 

Apricus Evacuated Tube Collector 

367.3  0.7166  263.207  2.400  631.697  418 

EnerWorks Flat‐Plate Collector 

367.3  0.4776  175.422  2.691  472.062  560 

Table 10: Quantity of Collectors Needed 

As Table 10 shows, 418 evacuated tube collectors, or 560 flat‐plate collectors, would need 

to be installed by the University of Manitoba in order for the powerhouse to eliminate the 

use of boiler 5.    

 

To  put  this  value  into  perspective,  the  area  required  to  house  these  collectors  can  be 

calculated.    Table  11  shows  a  brief  calculation  of  the  area  needed  to  house  these 

theoretical  solar  collector  systems.  Please  note  that  the  area  of  a  standard  Canadian 

football field is approximately equal to 1 acre.   

 

Collector Number of Collectors Needed 

Area of Land Needed per Collector [m²] 

Total Area of Land Needed for 

Collector System [m²] 

Total Area of Land Needed for Collector 

System [acres] 

Equivalent Number of Football Fields 

Apricus Evacuated Tube Collector 

418  4.348  1817.464  0.449  ~0.45 

EnerWorks Flat‐Plate Collector 

560  2.873  1608.880  0.398  ~0.4 

Table 11: Collector Area Needed 

 

From this calculation it can be seen that, if you were to take an area of land approximately 

the size of approximately half of a football field and fill it with side by side evacuated tube 

solar collectors, enough energy would be accumulated  to eliminate  the use of boiler 5.  

This land may seem like a slightly large area to put aside solely for use by solar collectors, 

however it is not unreasonable.   

Page 63: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 53 Heather King

The University of Manitoba recently purchased the land on which the Southwood Golf and 

Country Club resides.   This  facility  is  located adjacent to the University of Manitoba and 

consists  of  roughly  120  acres  of  land,  240  times  the  area  needed  to  house  the  solar 

collectors; land that could easily be home to a system of solar collectors.       

 

5.4  Cost Analysis 

A brief cost analysis will be carried out to determine if there is any financial benefit for the 

university to install a system of solar collectors to replace boiler 5.  This cost analysis will 

compare the cost of purchasing the solar collectors to the cost of running boiler 5.  As this 

is a simplified cost analysis estimate,  factors such as  installation and maintenance costs 

are not included in the calculation. 

Carbon  Finance  Intel,  a  Canadian  company  which  trades  greenhouse  gasses  financial 

incentives  for  both  Canadian  and  international  customers,  states  the  current  trading 

prices of C02 reduction as ~ €22 per tonne of CO2 (stated 28 Nov 2007 [17]).   This value 

converts to approximately $32.40 CAD per tonne of CO2.    

 

In order to determine the financial incentive the University of Manitoba would obtain by 

reducing  their  CO2  emissions,  it must  be  determined  how much  CO2  boiler  5  releases 

during  the month  of  august.    Boiler  5 was  in  use  for  31  days  during  august  2006  and 

produced a total of 247,380 kWh’s of energy (332.5 kW x 31 days x 24 hours/day).  As the 

boiler is only 81% efficient, 305,407.4 kWh’s of energy from natural gas were used by the 

boiler to produce this steam output.  For every kWh of energy from a greenhouse gas that 

is consumed, 0.21 kg’s of CO2 are released into the atmosphere.  This means that boiler 5 

released approximately 64,135.6 kg’s (64.14 tonnes) of CO2  into the surroundings during 

its operating period.   Based on the current trading values of CO2 ($32.40 CAD per tonne 

CO2),  the  university would  receive  an  incentive  of  approximately  $2,078.14  during  the 

month of august if boiler 5 was replaced with solar energy.  Over the course of one year 

Page 64: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 54 Heather King

this  reimbursement would equal $24,937.68.   This  financial  incentive will be  taken  into 

consideration in the following cost analysis. 

 

Apricus Evacuated Tube Collector 

EnerWorks  Flat‐Plate Collector 

Cost Per Collector [$]  2425.00  1750.00 

Number of Collectors Needed 

418  560 

Amount of Energy Produced [kW] 

332.5  332.5 

Total Cost of Solar Collector System [$] 

1,013,650.00  980,000.00 

Cost of Boiler 5 Operation [$] 

87,957  87,957 

Carbon Dioxide Reduction Incentive 

[S] 24,938  24,938 

Annual Energy Savings 

112,895  112,895 

Simple Payback  9.0 years  8.7 years 

Table 12: Cost to Substitute Boiler 5 with Solar Energy 

The values in Table 12 were determined as follows: 

1. Cost per collector:  Estimate quoted by Apricus and EnerWorks reference collector 

specifications. 

2. Number of collectors needed: Calculated in Table 10. 

3. Total  cost  of  solar  collector  systems:  Cost  per  collector  x  number  of  collectors 

needed. 

4. Cost of Boiler 5 Operation: Calculated based on  an  average natural  gas price  in   

Winnipeg of $0.024/kWh.  Boiler 5 used 305,407.4 kWh’s during august 2006, at a 

cost of $7329.78.  Over the course of one year this would equal $87,957.36. 

5. Carbon dioxide reduction incentive: As discussed above.      

Page 65: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 55 Heather King

6. Annual Energy Savings: Equivalent  to  the cost of operating boiler 5 plus  the CO2 

reduction incentive received by the university. 

7. Simple payback:  The  cost  to purchase  the  system divided by  the  annual  energy 

savings, in years. 

From  the  results  shown  in  Table  12,  it  can  be  seen  that  installing  a  system  of  solar 

collectors on campus to replace the use of boiler 5 is financially feasible.  This conclusion 

is made for two reasons: 

1) The average  life span of a solar collectors averages around 20 – 30 years, making 

the simple payback period of purchasing the solar collectors shorter than the  life 

of  the  collectors  themselves.    This would mean  that  the university would  finish 

paying off the purchasing cost of the collectors before their  life span had ended, 

allowing the university to actually make a profit out of the use of solar collectors 

over natural gas steam boilers. 

2) Other financial benefits for installing a system of solar collectors exist, beyond that 

of  the  CO2  reduction  incentive.    Federal  government  incentives,  such  as  the 

Renewable  Energy Deployment  Initiative  (REDI).    REDI  provides  funds  for  up  to 

25% of the purchase and installation cost of a system of collectors by a business or 

institution, up  to a maximum value of $80,000.    If  the  full  spectrum of available 

government  incentives  is utilized  in the  installation of solar collectors on campus, 

the simple payback period will drop even  further, creating more revenue  for  the 

university.  

 

Installing 418 evacuated tube collectors or 560  flat‐plate collectors on campus  is a  large 

risk  for  the university as no solar collector system  is currently set up  to  test  the  results 

with.  It is good, in this case, to look into the advantages of installing a smaller system of 

collectors on campus.  Would the results, both financial and environmental, be the same?  

Page 66: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 56 Heather King

The same analysis was carried out for a system of 100 solar collectors; both the Apricus 

evacuated  tube  collector  and  the  EnerWorks  flat‐plate  collector.    The  results  of  this 

analysis are contained in Table 13. 

Apricus Evacuated Tube Collector 

EnerWorks  Flat‐Plate Collector 

Cost Per Collector [$]  2425.00  1750.00 

Number of Collectors  100  100 

Total Cost of Solar Collector System [$] 

242,500.00  175,000.00 

Average Annual Solar Radiation [kWh/m²/d] 

3.690  3.690 

Average Annual Solar Radiation [kW/m²] 

0.301  0.301 

Collector Absorber Area [m²] 

2.400  2.691 

Average Annual Incident Radiation [kW] 

0.723  0.811 

Collector Efficiency   0.717  0.478 

Amount of Energy Produced By One Collector 

[kW] 0.518  0.387 

Amount of Energy Produced By 100 Collectors [kW] 

51.802  38.711 

% of District Heating System Supplemented 

4.296  3.210 

Cost to Produce Equivalent Heat by District 

Heating System [$] 10622.31  7937.92 

Carbon Dioxide Prevented from Entering the 

Atmosphere [tonnes] 92.95  69.46 

Carbon Dioxide Reduction Incentive [S] 

3011.58  2250.50 

Annual Energy Savings   $13,633.89  $10,188.42 

Simple Payback  17.8 years  17.2 years 

Table 13: Economic Analysis of a System of 10 Collectors 

Page 67: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 57 Heather King

The  results  in  Table  13  show  the  same  type  of  results  for  the  system  of  100  solar 

collectors to that of the larger quantity of collectors; however the simple payback period 

is about double  to  length.    It should be noted, however,  that  the  results  from Table 13 

analyze a  system of collectors over  the course of one year and use  the average annual 

daily  solar  radiation, whereas  the  larger  system  of  collectors  used  to  replace  boiler  5 

looked specifically at the summer months, where more solar radiation is available. 

5.5  Chapter Summary 

This chapter examined the economic potential that  installing a system of solar collectors 

at the University of Manitoba would produce.   An analysis was carried out to determine 

how  many  solar  collectors,  either  evacuated  tube  or  flat‐plate,  would  be  needed  to 

eliminate  the use of one of  the  smaller,  summer  load boilers,  and what  the  economic 

value of installing this theoretical system would be.  As the previous sections determined, 

it  is both environmentally and  financially advantages  to  replace one of  the boilers  from 

the  university’s  powerhouse  with  solar  energy.    The  payback  period  that  installing  a 

system  of  collectors  induced  would  be much  less  than  the  lifespan  of  the  collectors 

themselves, creating both a  large  reduction  in CO2 emissions and a  long‐term profit  for 

the university. 

Page 68: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 58 Heather King

6   DISCUSSION OF RESULTS 

After analyzing the potential of  installing solar collectors at the University of Manitoba’s 

“eco‐village”, many distinctive results and debates arose.   These results are discussed  in 

the following sections. 

 

6.1  Benefits of Installing Solar Collectors 

There are two ways to view the theoretical addition of a system of solar collectors to the 

University of Manitoba campus.  The first view and most obvious view would be to look at 

the cost that installing a system of collectors ensues and compare it to the payback period 

installing  the  system  of  collectors  holds.    From  the  results  seen  in  Section  5.4,  it  is 

apparent  that  the  installation  of  a  system  of  collectors  on  campus  in  economically 

advantages for the university in the long run, and should be highly regarded as an energy 

conservation method.  

The second view in which to regard the installation of solar collectors on campus is from 

an environmental standpoint.   The use of steam boilers emits CO2  into the atmosphere, 

adding  to  the  Earth’s  already  highly  increasing  level  of  greenhouse  gasses  and  global 

warming.   Solar energy, on the other hand,  is a completely harm free, renewable energy 

source.   Yes,  the price we pay  for these collectors now may be significantly higher  than 

that of a steam boiler or natural gas, but what about 50 years  from now?   Somewhere 

down the line, whether our generation or the next, someone will have to pay the price for 

global warming  and  other  easily  preventable man‐made  disasters.   Many  government 

incentives now exist in which funding for some, if not most, of the cost of purchasing and 

installing the collectors is provided.  Incentives also exist for the reduction of CO2 from the 

environment, with some emission trading markets stating exchange rates of up to $32.40 

CAD per tonne of CO2 reduced from release into the atmosphere. 

 

Page 69: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 59 Heather King

It may be completely unreasonable to convert the entire University of Manitoba’s heating 

system to solar energy, but how much would  it really take to convert 5, or even 10% of 

the university’s annual heating use?   We  can  see  from  the example  in Section 5.4  that 

substituting  even  4%  of  the  university’s  district  heating  system  from  boilers  to  solar 

energy would prevent around 93 tonnes of CO2 from being released into the atmosphere 

per  year,  not  to  mention  benefitting  the  University’s  appeal  and  environmental 

conformity from a green stance. 

 

6.2  Possible Collector Locations 

The following page shows a map of the University of Manitoba.  Also shown in the image 

is the Southwood Golf and Country Club.  As mention previously, these 120 acres of land 

were recently purchased by the University of Manitoba and will be acquired for use by the 

University  in  2010.    In  order  to  supplement  around  4%  of  the  district  heating  system, 

approximately 400m² (~0.1 acres) of land would be needed. Of the 120 acres about to be 

acquired by the university, it must certainly be possible to set aside a tenth of an acre for 

solar collectors.   

 One could argue  that  that by designating a certain area of  land  for solar collectors,  the 

University would be losing potential land for agriculture.  This is not necessarily the case.  

The land underneath the collectors would still be cultivatable; it would just not receive as 

much sunlight as a fully exposed area of land. However, there are many plants and crops 

that do not need the sun to thrive.  Fungi, such as mushrooms, do not need chlorophyll to 

grow, and potatoes, once  their dormancy  is broken, can be  fully harvested  in a  shaded 

area.    In addition, plants,  such as hostas, astillbies,  ferns, and  impatients, will bloom  to 

fully potential in a shaded environment.      

 

Page 70: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 60 Heather King

Figure 22: University of Manitoba Campus Map 

 

Page 71: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 61 Heather King

In order to show just how little land is needed to significantly contribute to the University 

of Manitoba’s  district  heating  system with  solar  energy,  the  results  from  the  previous 

chapters  have  been  used  to  estimate  how much  solar  energy  could  be  obtained  from 

installing solar collectors on the engineering and agriculture building’s rooftops.   

The  image  below  shows  a  hybrid map  of  the  agriculture  building  and  the  engineering 

building, on the left and the right of the view respectively.    

 

Figure 23: Hybrid Map of the University 

 

From the image above it can be seen that a majority of the rooftops of these buildings are 

flat  and  unused.    The  hatched  red  areas  on  the  following  image mark  potential  solar 

collector system locations on the Architecture and Engineering building’s rooftops. 

Architecture Building 

EngineeringBuilding 

Page 72: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 62 Heather King

Figure 24: Rooftop Solar Collector Locations 

By estimating  the area,  in m², of  rooftop contained  in  the hatched areas,  the  following 

analysis was completed to determine the approximate percentage of the district heating 

system that could be supplemented by  installing solar collectors  in the available rooftop 

space. 

Engineering Building Roof  Architecture Building Roof 

 Evacuated Tube 

Collectors Flat‐Plate Collectors 

Evacuated Tube Collectors 

Flat‐Plate Collectors 

Roof‐top Area Available [m²]  1000  1000  1500  1500 

Area Needed Per Collector [m²] 

4.348  2.873  4.348  2.873 

Max # of Collectors Possible  230  348  345  522 

Energy Produced by 1 Collector [kW] 

0.518  0.387  0.518  0.387 

Energy Produced by Collector System [kW] 

119.135  134.702  178.703  202.054 

% of District Heating System Supplemented 

9.9  11.2  14.8  16.8 

Table 14: Rooftop Availability 

Page 73: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 63 Heather King

This breakdown  shows  that, by  installing  a  system of  solar  collectors  in  the un‐utilized 

space on top of one or more campus buildings, the university could easily obtain enough 

heat  energy  from  the  sun  to  significantly  supplement  the  district  heating  system  and 

drastically reduce CO2 emissions. 

 

6.3  Evacuated Tube or Flat‐Plate? 

The two types of solar collectors that were studied  in detail throughout this report were 

evacuated  tube  collectors  and  flat‐plate  collectors.   Both operate on  the  same  general 

principle – utilizing energy from the sun to heat water.  However, there are a few distinct 

differences between the collectors that must be discussed. 

 

1. Evacuated  tubes,  in  general,  have  a  higher  efficiency  than  flat‐plate 

collectors.  This result was seen when the efficiency calculators were used 

for both the evacuated tube collector and the flat‐plate collector under the 

same  conditions.    The  evacuated  tube  collector  gave  an  efficiency  of 

76.24% while  the  flat‐plate  collector  gave  an  efficiency of 41.8%.    These 

results match up to the efficiencies stated on both collectors specification 

sheets.    The  Apricus  evacuated  tube  collector  suggested  a  product 

efficiency  of  71.77%,  while  the  EnerWorks  flat‐plate  collector  was 

estimated to have an efficiency of 47.78% in the summer months.   

 

2. Of  the  two  types of collectors,  flat‐plate collectors  tend  to  sell at a price 

reasonably  less  than  evacuated  tube  collectors.    The  cost  of  an  Apricus 

evacuated  tube  collectors  is  approximately $2425 per  collector, while  an 

EnerWorks flat‐plate collector would cost around $1750 per collector. 

 3. As  for weathering  the elements and surviving a winter  in Winnipeg, both 

collectors should  fair the same.   However,  if a problem were to occur, an 

evacuated tube collector may be easier to fix.   For  instance,  if a hailstorm 

Page 74: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 64 Heather King

was  to  damage  a  flat‐plate  collector,  it  is  most  likely  that  the  whole 

collector would have  to be  replaced.   With  an  evacuated  tube  collector, 

however, only one or two of the tubes may have been damaged, allowing 

the individual tubes to be easily replaced. 

 If the University of Manitoba were to install a system of solar collectors on campus, it is a 

matter  of  quantity  over  quality  as  to whether  evacuated  tube  collectors  or  flat  plate 

collectors should be  installed.   The calculations and analysis completed during this study 

confirmed  that  the  payback  periods  for  each  system  were  equivalent;  however 

maintenance costs were not included in those calculations.  Therefore, it is suggested that 

evacuated  tube collectors be  installed over  flat‐plate collectors, as  they would  save  the 

university money in the long run.    

Page 75: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 65 Heather King

7  CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS  The aim of this thesis report was to study and analyze the potential, both economic and 

environmental,  that  installing a system of solar collectors at  the University of Manitoba 

could provide.   This study began by proposing  the  installation of  four solar collectors at 

the  “eco‐village”; an evacuated  tube  collector,  two  flat‐plate  collectors  (water and air), 

and a solar wall collector.   

 

The scope of this thesis project, unfortunately, was limited as “eco‐village” solar collector 

research  project  as  a whole  is  in  its  beginning  phase.    The  solar  collectors  have  been 

purchased by the university but these collectors, along with the necessary data acquisition 

equipment, were not  accessible  for  installation  at  the  completion of  this  thesis project 

time period. 

 

Despite the  lack of available equipment, this project studied and analyzed many aspects 

of a proposed  installation of  solar  collectors on  campus.   The  following  conclusion and 

recommendations can be made upon the completion of this thesis project. 

  

7.1  Solar Collector Location 

    By  utilizing  the  theories  of  Tiwari  &  Ghosal,  and  the work  done  by  Ametek  Inc.,  the 

optimum  angular  location  of  a  solar  collector  at  the  University  of  Manitoba  was 

determined.    It  was  found  that,  in  order  to  receive  the  maximum  amount  of  solar 

radiation incident on the collector plane over the course of one year, the tilt angle of the 

plane  should be  set  to 50° with a  tilt angle direction of 0°  (facing directly  south).    It  is 

recommended to install the “eco‐village” collectors at these tilt angle coordinates.  

 

  

Page 76: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 66 Heather King

7.3  Instantaneous Efficiency Calculators Analyzing  the heat  transfer  flows  through  the Apricus evacuated  tube collector and  the 

EnerWorks flat‐plate collectors allowed for the creation of a Microsoft Excel spreadsheet 

for  each  collector.    This  collector  requires  the  user  to  input  the  variable  collector 

parameters,  such  as  temperatures  and  fluid  flow,  and  calculates  the  instantaneous 

efficiency of the collector.  As there is currently no installed, operational solar collector, it 

was not possible to verify the accuracy of these calculators through experimentation.  It is 

highly  recommended  that  these  formulae be  verified once  the  applicable equipment  is 

installed. 

 

From the efficiency calculator models created, it was determined that, during the summer 

months, an evacuated tube collector located at the “eco‐village” would have an efficiency 

of 76.2% while a flat‐plate collector would have an efficiency of 41.8%.  These results are 

accurate  when  compared  to  the  solar  collector  efficiencies  stated  by  the  respective 

manufacturers. 

  

7.4  Economic Analysis A brief economic analysis was performed on  several  theoretical  solar collector  systems.  

This analysis showed both pros and cons to the installation of a system of solar collectors 

at  the  University  of  Manitoba.    The  following  gives  an  overview  of  the  conclusions 

obtained. 

 

By  placing  a  system  of  evacuated  tube  collectors  in  1000m²  of  empty  space  upon  the 

rooftop of the Engineering Building, approximately 10% of the university’s district heating 

load could be supplemented.   This would decrease the amount of CO2 released  into the 

atmosphere by roughly 220 tonnes a year.

 

Page 77: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 67 Heather King

By placing a system of flat‐plate collectors in 1500m² of empty space upon the rooftop of 

the  Architecture  Building,  approximately  16.8%  of  the  university’s  district  heating  load 

could  be  supplemented.    This  would  decrease  the  amount  of  CO2  released  into  the 

atmosphere by roughly 372 tonnes a year.  

 

The cost for installing enough evacuated tube solar collectors on campus to eliminate the 

use of one of  the U of M powerhouse’s  smaller,  summertime boilers  is approx. $1.013 

million; installing enough flat‐plate collectors would cost approx. $0.98 million.  If we take 

these  costs,  minus  the  financial  incentives  available  for  reducing  CO2  emissions,  and 

compare them to the cost of running a boiler with natural gas, lead to payback periods of 

9.0 and 8.7 years respectively.  It was concluded that the switch from steam boiler heating 

to that of solar energy is beneficial to the university in the long run. 

  

Due  to  time constraints on  this  thesis project, different effects on  solar  radiation  levels 

were not examined.  Factors such as the amount of cloudy days per year, snow coverage 

on  collectors,  and  collector maintenance  should  be  studied  before  a  system  of  solar 

collectors is installed at the University of Manitoba.  

  

7.5  Final Recommendations 

 This thesis report concluded that installing a system of solar collectors at the University of 

Manitoba  is both an economically and environmentally viable project.   Further research 

and analysis of  the solar collectors  to be  installed at  the “eco‐village” should be carried 

out  to  reinforce  this claim, and a  full, economic and  financial cost evaluation should be 

initiated.      

Page 78: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 68 Heather King

8  REFERENCES 

[1] “About Solar Energy”, Canadian Renewable Energy Network, [Online Document], 2000 Jul 10, [cited 2007 Oct 27], Available HTTP: http://www.canren.gc.ca/tech_appl/index.asp?CaId=5&PgId=121  [2] “Cheaper and Efficient Energy”, Solar Benefits, [Online Document], no date given, [cited 2007 Oct 27], Available HTTP: http://www.solar‐benefits.com/  [3] “Solar Energy”, Wikipedia, [Online Document], no date given, [cited 2007 Oct 27], Available HTTP: http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_energy  [4] “The Facts about Solar Hot Water”, World of Energy, [Online Document], 2007 Feb 27, [cited 2007 Oct 27], Available HTTP: http://www.worldofenergy.com.au/factsheet_solarhotwater/07_fact_solarhotwater_how.html  [5] “Winnipeg”, Wikipedia, [Online Document], no date given, [cited 2007 Oct 28], Available HTTP: http://en.wikipedia.org/wiki/Winnipeg  [6] Ametek, Inc., Solar Energy Handbook: Theory and Applications, 2nd Edition, Chilton Book Company, 1984.  [7] “Sunrise and Sunset in Winnipeg”, Time and Date AS, [Online Document], no date given, [cited 2007 Sept 29], Available HTTP: http://www.timeanddate.com/worldclock/astronomy.html?n=265&month=9&year=2007&obj=sun&afl=‐11&day=1   [8] Tiwari, G. N., Solar Energy Technology Advances, 1st Edition, Nova Science Publishers, 2006.   [9] “Technical Information”, Apricus Solar Co., [Online Document], 2007, [cited 2007 Nov 15], Available HTTP: http://www.apricus.com/html/solar_collector_technical_info.htm [10] “University of Manitoba Powerhouse Annual Report 2006”, University of Manitoba, 2006.  [11] Çengel, Y.A. & Boles, M.A., Thermodynamics: An Engineering Approach, 4th Edition, McGraw‐Hill Higher Education, 2002.    [12] “Solar Collector Efficiency”, Energistic Systems, [Online Document], no date given, [cited 2007 Nov 21], Available HTTP: http://www.energisticsystems.us/pdfs/ce_brochure.pdf 

Page 79: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 69 Heather King

[13] “Profitability Index Calculator”, MONEY‐zine.com, [Online Document], 2006, [cited 2007 Nov 22], Available HTTP: http://www.money‐zine.com/Calculators/Investment‐Calculators/Profitability‐Index‐Calculator/   [14] “Residential Products”, EnerWorks Inc., [Online Document], 2007, [cited 2007 Nov 24], Available HTTP: http://www.enerworks.com/Res_Products_Collectors.asp  [15] Incropera et al, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th Edition, John Wiley & Sons, 2007.    [16] “World's Largest Solar Wall at Canadair Facility”, Natural Resources Canada, [Online Document], 2005 Sep 26, [cited 2007 Nov 27], Available HTTP: http://www.oee.nrcan.gc.ca/publications/infosource/pub/ici/caddet/english/r336.cfm?attr=20  [17] “Carbon Finance Intel”, Carbon Finance Intel, [Online Document], 2006, [cited 2007 Nov 28], Available HTTP: www.carbonfinance.ca   

Page 80: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 70 Heather King

APPENDIX A – COLLECTOR SPECIFICATIONS  This appendix lists the technical specifications of the two collectors studied throughout 

this report. 

  The Apricus Evacuated Tube Collector specifications can be found at the following site:  http://www.trendsetterindustries.com/pdf/FTD‐801‐APCollectorSpecificationsRev.1.6.pdf   The EnerWorks Flat‐Plate Collector specifications can be found at the following site:  http://www.enerworks.com/Res_Products.asp 

Page 81: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 71 Heather King

Apricus Solar Collector Specifications:  

  

Page 82: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 72 Heather King

 

Page 83: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 73 Heather King

 

Page 84: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 74 Heather King

Page 85: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 75 Heather King

  

Page 86: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 76 Heather King

 

Page 87: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 77 Heather King

  

Page 88: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 78 Heather King

  

Page 89: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 79 Heather King

  

Page 90: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 80 Heather King

Page 91: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 81 Heather King

EnerWorks Flat‐Plate Collector Specifications: 

Page 92: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 82 Heather King

Page 93: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 83 Heather King

APPENDIX B ‐ RETSCREEN DATA FOR WINNIPEG INT. AIRPORT  This appendix gives the RETScreen data for Winnipeg International Airport that was 

utilized throughout this report. 

 

RETScreen International can be accessed at www.retscreen.net. 

Page 94: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 84 Heather King

Page 95: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 85 Heather King

APPENDIX C – OPTIMUM TILT ANGLES AND DIRECTIONS: JAN –DEC 2007   

The following appendix calculates the optimum tilt angles and tilt directions for a solar 

collector installed at the University of Manitoba’s Ft. Garry campus for the months of 

January to December 2007.

Page 96: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 86 Heather King

Table 15: Optimum Tilt Angle ‐ January 2007

01‐Feb‐07 

n =  32                            

Solar Noon:  12:42 PM                            

Hour  L  D  t  H  sinA  A  sinZ  Z  Opt Σ  Opt φ 

6:00 AM  49.81  ‐17.52  17.30  259.50  ‐0.34  ‐20.00  1.00  86.25  110.00  86.25 

7:00 AM  49.81  ‐17.52  18.30  274.50  ‐0.18  ‐10.47  0.97  75.19  100.47  75.19 

8:00 AM  49.81  ‐17.52  19.30  289.50  ‐0.02  ‐1.40  0.90  64.05  91.40  64.05 

9:00 AM  49.81  ‐17.52  20.30  304.50  0.12  6.81  0.79  52.33  83.19  52.33 

10:00 AM  49.81  ‐17.52  21.30  319.50  0.24  13.77  0.64  39.62  76.23  39.62 

11:00 AM  49.81  ‐17.52  22.30  334.50  0.33  19.00  0.43  25.73  71.00  25.73 

12:00 PM  49.81  ‐17.52  23.30  349.50  0.38  22.04  0.19  10.81  67.96  10.81 

1:00 PM  49.81  ‐17.52  0.30  4.50  0.38  22.56  ‐0.08  ‐4.65  67.44  ‐4.65 

2:00 PM  49.81  ‐17.52  1.30  19.50  0.35  20.50  ‐0.34  ‐19.87  69.50  ‐19.87 

3:00 PM  49.81  ‐17.52  2.30  34.50  0.28  16.10  ‐0.56  ‐34.21  73.90  ‐34.21 

4:00 PM  49.81  ‐17.52  3.30  49.50  0.17  9.77  ‐0.74  ‐47.38  80.23  ‐47.38 

5:00 PM  49.81  ‐17.52  4.30  64.50  0.04  2.01  ‐0.86  ‐59.46  87.99  ‐59.46 

6:00 PM  49.81  ‐17.52  5.30  79.50  ‐0.12  ‐6.76  ‐0.94  ‐70.78  96.76  ‐70.78 

7:00 PM  49.81  ‐17.52  6.30  94.50  ‐0.28  ‐16.15  ‐0.99  ‐81.80  106.15  ‐81.80 

8:00 PM  49.81  ‐17.52  7.30  109.50  ‐0.44  ‐25.81  ‐1.00  ‐86.88  115.81  ‐86.88 

Table 16: Optimum Tilt Angle ‐ February 2007

01‐Jan‐07 

n =  1                            

Solar Noon:  12:32 PM                            

Hour  L  D  t  H  sinA  A  sinZ  Z  Opt Σ  Opt φ 

6:00 AM  49.81  ‐23.01  17.47  262.05  ‐0.38  ‐22.38  0.99  80.35  112.38  80.35 

7:00 AM  49.81  ‐23.01  18.47  277.05  ‐0.23  ‐13.05  0.94  69.66  103.05  69.66 

8:00 AM  49.81  ‐23.01  19.47  292.05  ‐0.08  ‐4.34  0.86  58.82  94.34  58.82 

9:00 AM  49.81  ‐23.01  20.47  307.05  0.06  3.40  0.74  47.38  86.60  47.38 

10:00 AM  49.81  ‐23.01  21.47  322.05  0.17  9.77  0.57  35.06  80.23  35.06 

11:00 AM  49.81  ‐23.01  22.47  337.05  0.25  14.38  0.37  21.75  75.62  21.75 

12:00 PM  49.81  ‐23.01  23.47  352.05  0.29  16.84  0.13  7.64  73.16  7.64 

1:00 PM  49.81  ‐23.01  0.47  7.05  0.29  16.91  ‐0.12  ‐6.78  73.09  ‐6.78 

2:00 PM  49.81  ‐23.01  1.47  22.05  0.25  14.59  ‐0.36  ‐20.92  75.41  ‐20.92 

3:00 PM  49.81  ‐23.01  2.47  37.05  0.18  10.10  ‐0.56  ‐34.28  79.90  ‐34.28 

4:00 PM  49.81  ‐23.01  3.47  52.05  0.07  3.82  ‐0.73  ‐46.67  86.18  ‐46.67 

5:00 PM  49.81  ‐23.01  4.47  67.05  ‐0.07  ‐3.84  ‐0.85  ‐58.16  93.84  ‐58.16 

6:00 PM  49.81  ‐23.01  5.47  82.05  ‐0.22  ‐12.50  ‐0.93  ‐69.02  102.50  ‐69.02 

7:00 PM  49.81  ‐23.01  6.47  97.05  ‐0.37  ‐21.81  ‐0.98  ‐79.70  111.81  ‐79.70 

8:00 PM  49.81  ‐23.01  7.47  112.05  ‐0.52  ‐31.44  ‐1.00  ‐89.21  121.44  ‐89.21 

Page 97: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 87 Heather King

Table 17: Optimum Tilt Angle ‐ March 2007 

01‐Apr‐07 

n =  91                            

Solar Noon:  1:33 PM                            

Hour  L  D  t  H  sinA  A  sinZ  Z  Opt Σ  Opt φ 

6:00 AM  49.81  4.02  16.45  246.75  ‐0.20  ‐11.57  0.94  69.32  101.57  69.32 

7:00 AM  49.81  4.02  17.45  261.75  ‐0.04  ‐2.23  0.99  81.10  92.23  81.10 

8:00 AM  49.81  4.02  18.45  276.75  0.13  7.42  1.00  87.44  82.58  87.44 

9:00 AM  49.81  4.02  19.45  291.75  0.29  16.98  0.97  75.64  73.02  75.64 

10:00 AM  49.81  4.02  20.45  306.75  0.44  26.02  0.89  62.80  63.98  62.80 

11:00 AM  49.81  4.02  21.45  321.75  0.56  33.99  0.74  48.15  56.01  48.15 

12:00 PM  49.81  4.02  22.45  336.75  0.64  40.16  0.52  31.02  49.84  31.02 

1:00 PM  49.81  4.02  23.45  351.75  0.69  43.68  0.20  11.41  46.32  11.41 

2:00 PM  49.81  4.02  0.45  6.75  0.69  43.85  ‐0.16  ‐9.36  46.15  ‐9.36 

3:00 PM  49.81  4.02  1.45  21.75  0.65  40.65  ‐0.49  ‐29.16  49.35  ‐29.16 

4:00 PM  49.81  4.02  2.45  36.75  0.57  34.70  ‐0.73  ‐46.55  55.30  ‐46.55 

5:00 PM  49.81  4.02  3.45  51.75  0.45  26.88  ‐0.88  ‐61.43  63.12  ‐61.43 

6:00 PM  49.81  4.02  4.45  66.75  0.31  17.92  ‐0.96  ‐74.42  72.08  ‐74.42 

7:00 PM  49.81  4.02  5.45  81.75  0.15  8.39  ‐1.00  ‐86.28  81.61  ‐86.28 

8:00 PM  49.81  4.02  6.45  96.75  ‐0.02  ‐1.27  ‐0.99  ‐82.25  91.27  ‐82.25 

 Table 18: Optimum Tilt Angle ‐ April 2007

01‐Mar‐07 

n =  60                            

Solar Noon:  12:41 PM                            

Hour  L  D  t  H  sinA  A  sinZ  Z  Opt Σ  Opt φ 

6:00 AM  49.81  ‐8.29  17.32  259.75  ‐0.22  ‐12.93  1.00  87.56  102.93  87.56 

7:00 AM  49.81  ‐8.29  18.32  274.75  ‐0.06  ‐3.29  0.99  81.03  93.29  81.03 

8:00 AM  49.81  ‐8.29  19.32  289.75  0.11  6.06  0.94  69.48  83.94  69.48 

9:00 AM  49.81  ‐8.29  20.32  304.75  0.25  14.70  0.84  57.20  75.30  57.20 

10:00 AM  49.81  ‐8.29  21.32  319.75  0.38  22.16  0.69  43.66  67.84  43.66 

11:00 AM  49.81  ‐8.29  22.32  334.75  0.47  27.86  0.48  28.52  62.14  28.52 

12:00 PM  49.81  ‐8.29  23.32  349.75  0.52  31.21  0.21  11.88  58.79  11.88 

1:00 PM  49.81  ‐8.29  0.32  4.75  0.53  31.75  ‐0.10  ‐5.53  58.25  ‐5.53 

2:00 PM  49.81  ‐8.29  1.32  19.75  0.49  29.39  ‐0.38  ‐22.57  60.61  ‐22.57 

3:00 PM  49.81  ‐8.29  2.32  34.75  0.41  24.49  ‐0.62  ‐38.30  65.51  ‐38.30 

4:00 PM  49.81  ‐8.29  3.32  49.75  0.30  17.60  ‐0.79  ‐52.41  72.40  ‐52.41 

5:00 PM  49.81  ‐8.29  4.32  64.75  0.16  9.33  ‐0.91  ‐65.10  80.67  ‐65.10 

6:00 PM  49.81  ‐8.29  5.32  79.75  0.00  0.20  ‐0.97  ‐76.84  89.80  ‐76.84 

7:00 PM  49.81  ‐8.29  6.32  94.75  ‐0.16  ‐9.39  ‐1.00  ‐88.23  99.39  ‐88.23 

8:00 PM  49.81  ‐8.29  7.32  109.75  ‐0.33  ‐19.02  ‐0.99  ‐80.11  109.02  ‐80.11 

Page 98: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 88 Heather King

 

01‐May‐07 

n =  121                            

Solar Noon:  1:26 PM                            

Hour  L  D  t  H  sinA  A  sinZ  Z  Opt Σ  Opt φ 

6:00 AM  49.81  14.90  16.57  248.50  ‐0.03  ‐1.84  0.90  64.11  91.84  64.11 

7:00 AM  49.81  14.90  17.57  263.50  0.13  7.23  0.97  75.43  82.77  75.43 

8:00 AM  49.81  14.90  18.57  278.50  0.29  16.78  1.00  86.60  73.22  86.60 

9:00 AM  49.81  14.90  19.57  293.50  0.45  26.43  0.99  81.75  63.57  81.75 

10:00 AM  49.81  14.90  20.57  308.50  0.58  35.78  0.93  68.78  54.22  68.78 

11:00 AM  49.81  14.90  21.57  323.50  0.70  44.25  0.80  53.36  45.75  53.36 

12:00 PM  49.81  14.90  22.57  338.50  0.78  50.96  0.56  34.21  39.04  34.21 

1:00 PM  49.81  14.90  23.57  353.50  0.82  54.69  0.19  10.91  35.31  10.91 

2:00 PM  49.81  14.90  0.57  8.50  0.81  54.41  ‐0.25  ‐14.21  35.59  ‐14.21 

3:00 PM  49.81  14.90  1.57  23.50  0.77  50.20  ‐0.60  ‐37.02  39.80  ‐37.02 

4:00 PM  49.81  14.90  2.57  38.50  0.68  43.20  ‐0.83  ‐55.61  46.80  ‐55.61 

5:00 PM  49.81  14.90  3.57  53.50  0.57  34.57  ‐0.94  ‐70.63  55.43  ‐70.63 

6:00 PM  49.81  14.90  4.57  68.50  0.42  25.15  ‐0.99  ‐83.36  64.85  ‐83.36 

7:00 PM  49.81  14.90  5.57  83.50  0.27  15.49  ‐1.00  ‐85.10  74.51  ‐85.10 

8:00 PM  49.81  14.90  6.57  98.50  0.10  5.98  ‐0.96  ‐73.94  84.02  ‐73.94 

Table 19: Optimum Tilt Angle ‐ May 2007 

 

01‐Jun‐07 

n =  152                            

Solar Noon:  1:26 PM                            

Hour  L  D  t  H  sinA  A  sinZ  Z  Opt Σ  Opt φ 

6:00 AM  49.81  22.04  16.57  248.50  0.07  3.87  0.86  59.81  86.13  59.81 

7:00 AM  49.81  22.04  17.57  263.50  0.22  12.65  0.94  70.71  77.35  70.71 

8:00 AM  49.81  22.04  18.57  278.50  0.38  22.03  0.99  81.47  67.97  81.47 

9:00 AM  49.81  22.04  19.57  293.50  0.53  31.68  1.00  87.29  58.32  87.29 

10:00 AM  49.81  22.04  20.57  308.50  0.66  41.23  0.96  74.69  48.77  74.69 

11:00 AM  49.81  22.04  21.57  323.50  0.77  50.13  0.86  59.33  39.87  59.33 

12:00 PM  49.81  22.04  22.57  338.50  0.84  57.48  0.63  39.19  32.52  39.19 

1:00 PM  49.81  22.04  23.57  353.50  0.88  61.76  0.22  12.81  28.24  12.81 

2:00 PM  49.81  22.04  0.57  8.50  0.88  61.43  ‐0.29  ‐16.65  28.57  ‐16.65 

3:00 PM  49.81  22.04  1.57  23.50  0.84  56.64  ‐0.67  ‐42.23  33.36  ‐42.23 

4:00 PM  49.81  22.04  2.57  38.50  0.75  49.01  ‐0.88  ‐61.60  40.99  ‐61.60 

5:00 PM  49.81  22.04  3.57  53.50  0.64  39.98  ‐0.97  ‐76.49  50.02  ‐76.49 

6:00 PM  49.81  22.04  4.57  68.50  0.51  30.39  ‐1.00  ‐88.85  59.61  ‐88.85 

7:00 PM  49.81  22.04  5.57  83.50  0.35  20.75  ‐0.98  ‐80.02  69.25  ‐80.02 

8:00 PM  49.81  22.04  6.57  98.50  0.20  11.43  ‐0.94  ‐69.28  78.57  ‐69.28 

Table 20: Optimum Tilt Angle ‐ June 2007 

Page 99: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 89 Heather King

Table 21: Optimum Tilt Angle ‐ July 2007 

01‐Aug‐07 

n =  213                            

Solar Noon:  1:35 PM                            

Hour  L  D  t  H  sinA  A  sinZ  Z  Opt Σ  Opt φ 

6:00 AM  49.81  17.91  16.42  246.25  ‐0.01  ‐0.71  0.87  60.58  90.71  60.58 

7:00 AM  49.81  17.91  17.42  261.25  0.14  8.14  0.95  71.81  81.86  71.81 

8:00 AM  49.81  17.91  18.42  276.25  0.30  17.57  0.99  82.81  72.43  82.81 

9:00 AM  49.81  17.91  19.42  291.25  0.46  27.23  1.00  85.81  62.77  85.81 

10:00 AM  49.81  17.91  20.42  306.25  0.60  36.73  0.96  73.22  53.27  73.22 

11:00 AM  49.81  17.91  21.42  321.25  0.71  45.55  0.85  58.26  44.45  58.26 

12:00 PM  49.81  17.91  22.42  336.25  0.80  52.84  0.63  39.38  37.16  39.38 

1:00 PM  49.81  17.91  23.42  351.25  0.84  57.34  0.27  15.56  32.66  15.56 

2:00 PM  49.81  17.91  0.42  6.25  0.85  57.71  ‐0.19  ‐11.18  32.29  ‐11.18 

3:00 PM  49.81  17.91  1.42  21.25  0.81  53.83  ‐0.58  ‐35.75  36.17  ‐35.75 

4:00 PM  49.81  17.91  2.42  36.25  0.73  46.90  ‐0.82  ‐55.43  43.10  ‐55.43 

5:00 PM  49.81  17.91  3.42  51.25  0.62  38.27  ‐0.95  ‐70.93  51.73  ‐70.93 

6:00 PM  49.81  17.91  4.42  66.25  0.48  28.83  ‐0.99  ‐83.82  61.17  ‐83.82 

7:00 PM  49.81  17.91  5.42  81.25  0.33  19.17  ‐1.00  ‐84.66  70.83  ‐84.66 

8:00 PM  49.81  17.91  6.42  96.25  0.17  9.68  ‐0.96  ‐73.64  80.32  ‐73.64 

Table 22: Optimum Tilt Angle ‐ August 2007

01‐Jul‐07 

n =  182                            

Solar Noon:  1:33 PM                            

Hour  L  D  t  H  sinA  A  sinZ  Z  Opt Σ  Opt φ 

6:00 AM  49.81  23.12  16.45  246.75  0.07  3.77  0.85  57.87  86.23  57.87 

7:00 AM  49.81  23.12  17.45  261.75  0.21  12.40  0.93  68.74  77.60  68.74 

8:00 AM  49.81  23.12  18.45  276.75  0.37  21.70  0.98  79.41  68.30  79.41 

9:00 AM  49.81  23.12  19.45  291.75  0.52  31.32  1.00  89.53  58.68  89.53 

10:00 AM  49.81  23.12  20.45  306.75  0.66  40.92  0.98  77.23  49.08  77.23 

11:00 AM  49.81  23.12  21.45  321.75  0.77  50.00  0.89  62.35  40.00  62.35 

12:00 PM  49.81  23.12  22.45  336.75  0.85  57.70  0.68  42.80  32.30  42.80 

1:00 PM  49.81  23.12  23.45  351.75  0.89  62.54  0.29  16.63  27.46  16.63 

2:00 PM  49.81  23.12  0.45  6.75  0.89  62.79  ‐0.24  ‐13.67  27.21  ‐13.67 

3:00 PM  49.81  23.12  1.45  21.75  0.85  58.34  ‐0.65  ‐40.49  31.66  ‐40.49 

4:00 PM  49.81  23.12  2.45  36.75  0.78  50.85  ‐0.87  ‐60.64  39.15  ‐60.64 

5:00 PM  49.81  23.12  3.45  51.75  0.67  41.87  ‐0.97  ‐75.89  48.13  ‐75.89 

6:00 PM  49.81  23.12  4.45  66.75  0.53  32.29  ‐1.00  ‐88.38  57.71  ‐88.38 

7:00 PM  49.81  23.12  5.45  81.75  0.39  22.65  ‐0.99  ‐80.48  67.35  ‐80.48 

8:00 PM  49.81  23.12  6.45  96.75  0.23  13.31  ‐0.94  ‐69.80  76.69  ‐69.80 

Page 100: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 90 Heather King

01‐Sep‐07 

n =  244                            

Solar Noon:  1:29 PM                            

Hour  L  D  t  H  sinA  A  sinZ  Z  Opt Σ  Opt φ 

6:00 AM  49.81  7.72  16.52  247.75  ‐0.14  ‐8.02  0.93  67.85  98.02  67.85 

7:00 AM  49.81  7.72  17.52  262.75  0.02  1.26  0.98  79.50  88.74  79.50 

8:00 AM  49.81  7.72  18.52  277.75  0.19  10.89  1.00  89.10  79.11  89.10 

9:00 AM  49.81  7.72  19.52  292.75  0.35  20.49  0.98  77.30  69.51  77.30 

10:00 AM  49.81  7.72  20.52  307.75  0.49  29.62  0.90  64.32  60.38  64.32 

11:00 AM  49.81  7.72  21.52  322.75  0.61  37.71  0.76  49.31  52.29  49.31 

12:00 PM  49.81  7.72  22.52  337.75  0.69  43.99  0.52  31.43  46.01  31.43 

1:00 PM  49.81  7.72  23.52  352.75  0.74  47.48  0.19  10.66  42.52  10.66 

2:00 PM  49.81  7.72  0.52  7.75  0.74  47.42  ‐0.20  ‐11.39  42.58  ‐11.39 

3:00 PM  49.81  7.72  1.52  22.75  0.69  43.82  ‐0.53  ‐32.08  46.18  ‐32.08 

4:00 PM  49.81  7.72  2.52  37.75  0.61  37.47  ‐0.76  ‐49.85  52.53  ‐49.85 

5:00 PM  49.81  7.72  3.52  52.75  0.49  29.32  ‐0.90  ‐64.78  60.68  ‐64.78 

6:00 PM  49.81  7.72  4.52  67.75  0.34  20.17  ‐0.98  ‐77.70  69.83  ‐77.70 

7:00 PM  49.81  7.72  5.52  82.75  0.18  10.57  ‐1.00  ‐89.49  79.43  ‐89.49 

8:00 PM  49.81  7.72  6.52  97.75  0.02  0.94  ‐0.98  ‐79.11  89.06  ‐79.11 

Table 23: Optimum Tilt Angle ‐ September 2007

01‐Oct‐07 

n =  274                            

Solar Noon:  1:18 PM                            

Hour  L  D  t  H  sinA  A  sinZ  Z  Opt Σ  Opt φ 

6:00 AM  49.81  ‐4.22  16.70  250.50  ‐0.27  ‐15.72  0.98  77.59  105.72  77.59 

7:00 AM  49.81  ‐4.22  17.70  265.50  ‐0.11  ‐6.12  1.00  89.29  96.12  89.29 

8:00 AM  49.81  ‐4.22  18.70  280.50  0.06  3.50  0.98  79.24  86.50  79.24 

9:00 AM  49.81  ‐4.22  19.70  295.50  0.22  12.76  0.92  67.36  77.24  67.36 

10:00 AM  49.81  ‐4.22  20.70  310.50  0.36  21.21  0.81  54.44  68.79  54.44 

11:00 AM  49.81  ‐4.22  21.70  325.50  0.47  28.31  0.64  39.91  61.69  39.91 

12:00 PM  49.81  ‐4.22  22.70  340.50  0.55  33.40  0.40  23.50  56.60  23.50 

1:00 PM  49.81  ‐4.22  23.70  355.50  0.59  35.83  0.10  5.54  54.17  5.54 

2:00 PM  49.81  ‐4.22  0.70  10.50  0.58  35.22  ‐0.22  ‐12.85  54.78  ‐12.85 

3:00 PM  49.81  ‐4.22  1.70  25.50  0.52  31.65  ‐0.50  ‐30.29  58.35  ‐30.29 

4:00 PM  49.81  ‐4.22  2.70  40.50  0.43  25.67  ‐0.72  ‐45.94  64.33  ‐45.94 

5:00 PM  49.81  ‐4.22  3.70  55.50  0.31  17.96  ‐0.86  ‐59.77  72.04  ‐59.77 

6:00 PM  49.81  ‐4.22  4.70  70.50  0.16  9.13  ‐0.95  ‐72.20  80.87  ‐72.20 

7:00 PM  49.81  ‐4.22  5.70  85.50  ‐0.01  ‐0.32  ‐0.99  ‐83.85  90.32  ‐83.85 

8:00 PM  49.81  ‐4.22  6.70  100.50  ‐0.17  ‐9.99  ‐1.00  ‐84.68  99.99  ‐84.68 

Table 24: Optimum Tilt Angle ‐ October 2007

Page 101: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Solar Energy Systems in the Eco-Village at the University of Manitoba _________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ December 4th, 2007 91 Heather King

01‐Nov‐07 

n =  305                            

Solar Noon:  1:12 PM                            

Hour  L  D  t  H  sinA  A  sinZ  Z  Opt Σ  Opt φ 

6:00 AM  49.81  ‐15.36  16.80  252.00  ‐0.39  ‐23.25  1.00  86.47  113.25  86.47 

7:00 AM  49.81  ‐15.36  17.80  267.00  ‐0.23  ‐13.59  0.99  82.17  103.59  82.17 

8:00 AM  49.81  ‐15.36  18.80  282.00  ‐0.07  ‐4.19  0.95  71.04  94.19  71.04 

9:00 AM  49.81  ‐15.36  19.80  297.00  0.08  4.59  0.86  59.53  85.41  59.53 

10:00 AM  49.81  ‐15.36  20.80  312.00  0.21  12.36  0.73  47.19  77.64  47.19 

11:00 AM  49.81  ‐15.36  21.80  327.00  0.32  18.63  0.55  33.66  71.37  33.66 

12:00 PM  49.81  ‐15.36  22.80  342.00  0.39  22.92  0.32  18.88  67.08  18.88 

1:00 PM  49.81  ‐15.36  23.80  357.00  0.42  24.77  0.06  3.19  65.23  3.19 

2:00 PM  49.81  ‐15.36  0.80  12.00  0.41  23.97  ‐0.22  ‐12.67  66.03  ‐12.67 

3:00 PM  49.81  ‐15.36  1.80  27.00  0.35  20.61  ‐0.47  ‐27.89  69.39  ‐27.89 

4:00 PM  49.81  ‐15.36  2.80  42.00  0.26  15.07  ‐0.67  ‐41.93  74.93  ‐41.93 

5:00 PM  49.81  ‐15.36  3.80  57.00  0.14  7.85  ‐0.82  ‐54.72  82.15  ‐54.72 

6:00 PM  49.81  ‐15.36  4.80  72.00  ‐0.01  ‐0.58  ‐0.92  ‐66.51  90.58  ‐66.51 

7:00 PM  49.81  ‐15.36  5.80  87.00  ‐0.17  ‐9.78  ‐0.98  ‐77.72  99.78  ‐77.72 

8:00 PM  49.81  ‐15.36  6.80  102.00  ‐0.33  ‐19.38  ‐1.00  ‐88.92  109.38  ‐88.92 

Table 25: Optimum Tilt Angle ‐ November 2007

01‐Dec‐07 

n =  335                            

Solar Noon:  12:18 PM                            

Hour  L  D  t  H  sinA  A  sinZ  Z  Opt Σ  Opt φ 

6:00 AM  49.81  ‐22.11  17.70  265.50  ‐0.33  ‐19.54  0.98  78.53  109.54  78.53 

7:00 AM  49.81  ‐22.11  18.70  280.50  ‐0.18  ‐10.28  0.93  67.80  100.28  67.80 

8:00 AM  49.81  ‐22.11  19.70  295.50  ‐0.03  ‐1.73  0.84  56.78  91.73  56.78 

9:00 AM  49.81  ‐22.11  20.70  310.50  0.10  5.78  0.71  45.08  84.22  45.08 

10:00 AM  49.81  ‐22.11  21.70  325.50  0.21  11.84  0.54  32.42  78.16  32.42 

11:00 AM  49.81  ‐22.11  22.70  340.50  0.28  16.03  0.32  18.77  73.97  18.77 

12:00 PM  49.81  ‐22.11  23.70  355.50  0.31  17.97  0.08  4.38  72.03  4.38 

1:00 PM  49.81  ‐22.11  0.70  10.50  0.30  17.48  ‐0.18  ‐10.20  72.52  ‐10.20 

2:00 PM  49.81  ‐22.11  1.70  25.50  0.25  14.60  ‐0.41  ‐24.34  75.40  ‐24.34 

3:00 PM  49.81  ‐22.11  2.70  40.50  0.17  9.62  ‐0.61  ‐37.61  80.38  ‐37.61 

4:00 PM  49.81  ‐22.11  3.70  55.50  0.05  2.93  ‐0.76  ‐49.87  87.07  ‐49.87 

5:00 PM  49.81  ‐22.11  4.70  70.50  ‐0.09  ‐5.04  ‐0.88  ‐61.25  95.04  ‐61.25 

6:00 PM  49.81  ‐22.11  5.70  85.50  ‐0.24  ‐13.92  ‐0.95  ‐72.10  103.92  ‐72.10 

7:00 PM  49.81  ‐22.11  6.70  100.50  ‐0.40  ‐23.36  ‐0.99  ‐82.87  113.36  ‐82.87 

8:00 PM  49.81  ‐22.11  7.70  115.50  ‐0.54  ‐33.02  ‐1.00  ‐85.77  123.02  ‐85.77 

Table 26: Optimum Tilt Angle ‐ December 2007

Page 102: SOLAR SYSTEMS IN THE ECO VILLAGE AT THE UNIVERSITY OF ...bibeauel/research/... · The “eco‐village”, a straw‐bale barn located on the University of Manitoba’s Fort Garry

Recommended