1/64 Solární kolektory

Transkript

1 1/64 Solární kolektory účinnost zkoušení optická charakteristika měrný zisk

2 Solární kolektory - princip 2/64 Odraz na zasklení Odraz na absorbéru Tepelná ztráta zasklením Odvod tepla teplonosnou látkou pro využití Dopadající sluneční záření Tepelné ztráty zadními a bočními stěnami

3 Energetická bilance solárního kolektoru 3/64 dq dt = Q& Q& Q& Q& obecný zápis s z,o z,t k Q & k = Q& Q& Q& ustálené podmínky dq/dt = 0 s z,o z,t Q s dopadající výkon sl. záření Q s =.A k Q z,o optické ztráty Q z,o = Q s - Q s τα Q z,t tepelné ztráty Q z,t = U.A k (t abs t e ) Q k tepelný výkon kolektoru Q k = M c (t k2 t k1 )

4 Tepelné ztráty solárního kolektoru 4/64 U b U p U z Q& z,t = U p A k ( tabs t e ) UzAk ( tabs te ) UbAb ( tabs te ) = UAk ( tabs te )

5 Tepelné ztráty kolektoru v detailu 5/64

6 Výkon a účinnost solárního kolektoru 6/64 výkon kolektoru: Q& = A τα UA k k k ( t te ) abs účinnost vztažená ke střední teplotě absorbéru: η = Q& k Q& s = Q& k A k = A τα UA k A k k ( t t ) abs e η =τα U ( t te ) abs

7 Účinnost solárního kolektoru 7/64 η =τα U ( t t ) abs e τ... propustnost slunečního záření zasklení [-] α... pohltivost slunečního záření absorbéru [-] U... součinitel prostupu tepla kolektoru [W/m 2.K] t abs... střední teplota absorbéru [ C] t e... teplota okolí [ C]

8 Účinnost solárního kolektoru 8/64 ~ (1-τα) ~ U(t abs -t e )

9 Účinnost solárního kolektoru 9/64 η = =τα F' ταu U ( t ( t t t) ) abs m e e F... účinnostní součinitel kolektoru > 0.90 závisí na geometrii a tepelných vlastnostech absorbéru t m... střední teplota teplonosné kapaliny v kolektoru t m = (t k1 +t k2 )/2

10 Přenos tepla z povrchu absorbéru 10/64

11 Účinnostní součinitel kolektoru F 11/64 závisí na geometrických vlastnostech absorbéru: rozteč trubek, průměr trubek, tloušťka spoje trubka-absorbér, tloušťka absorbéru fyzikálních vlastnostech absorbéru: tepelná vodivost absorbéru, tepelná vodivost spoje trubkaabsorbér proudění uvnitř trubek: přestup tepla ze stěny trubky do kapaliny celkový součinitel prostupu tepla kolektoru U

12 Vliv materiálu a geometrie absorbéru 12/64 1,0 1,0 měď (Cu) 390 W/(m.K) W = 50 mm 0,8 hliník (Al) 250 W/(m.K) 0,8 W = 125 mm ocel (Fe) 100 W/(m.K) W = 200 mm 0,6 0,6 η [-] η [-] 0,4 0,4 0,2 0,2 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t e )/ [m 2.K/W] 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t e )/ [m 2.K/W]

13 Plastové absorbéry 13/64 tepelná vodivost plastů: 0,2 W/(m.K) pro zajištění dostatečného přenosu tepla: malé rozteče trubek silné stěny měď: 390 W/(m.K)

14 Vliv spoje na účinnost 14/64 přiložený naklapnutý

15 Trubkové Sydney kolektory - lamela 15/64 dáno Sydney trubkou η = F' τ α U ( t t ) m e kontaktní lamela: krátká, vodivá, silná, s velmi těsným kontaktem

16 Zkoušení solárních kolektorů (podle EN) 16/64 ČSN EN , ČSN EN ISO 9806 Zkoušky výkonové tepelný výkon a účinnost kolektoru (určení η 0, a 1, a 2 ) určení modifikátoru úhlu dopadu (vliv úhlu dopadu na výkon kolektoru) určení účinné tepelné kapacity kolektoru (setrvačnost kolektoru) za ustálených podmínek ve venkovním / vnitřním prostředí jasno, přímé sluneční záření > 700 W/m 2, kolmý dopad, w > 3 m/s za dynamických podmínek proměnlivé počasí, více určených parametrů, výstupem je dynamický model kolektoru, včetně úhlové závislosti a vlivu setrvačnosti kolektoru

17 Stanovení výkonu a účinnosti 17/64 t k2 výkon Q & = M & c k ( t t ) k1 k2. M t k1 Q & = M & c ( t t ) k1 k k2 účinnost Q& η k = A k

18 Proložení bodů účinnosti 18/64 1,0 co nejblíže (t m t e ) = 0 0,8 0,6 η [-] 0,4 0,2 rozsah měření regresní parabola 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t e )/ [m 2.K/W]

19 Účinnost solárního kolektoru (měření) 19/64 regresní parabola proložená naměřenými hodnotami y = a + bx + cx 2 η = η t t t t m e m e 0 a1 a2 2 η 0 a 1 optická účinnost [-], správně: účinnost při nulové tepelné ztrátě součinitel tepelné ztráty (lineární) [W/(m 2.K)] a 2 součinitel tepelné ztráty (kvadratický) [W/(m 2.K 2 )] hodnoty η 0, a 1, a 2 s uvedením vztažné plochy A k udává výrobce, dodavatel kolektoru, případně zkušebna na základě protokolu o zkoušce v souladu s ČSN EN ISO 9806

20 Teorie a experiment 20/64 η = F'τα F' U η = η a 0 1 t m t t e m a t 2 e ( t t ) m e 2 η 0 = F τα a 1 +a 2 (t m - t e ) = F U optická účinnost součinitel prostupu tepla

21 Typické konstanty křivky účinnosti* 21/64 Druh kolektoru η 0 a 1 a 2 - W/(m 2 K) W/(m 2 K 2 ) Nezasklený Zasklený s neselektivním absorbérem Zasklený se selektivním absorbérem Vakuový s plochým absorbérem (1trubka) Vakuový s válcovým absorbérem (Sydney) * vztažnou plochou pro křivku účinnosti je plocha apertury

22 Solární kolektory - aplikace 22/ bazény teplá voda + vytápění nezasklený absorbér 0 m/s plochý neselektivní nezasklený absorbér 3 m/s plochý selektivní 0.8 vakuový jednostěnný trubkový vakuový trubkový Sydney 0.6 technologické teplo vysokoteplotní průmyslové aplikace η [-] = 1000 W/m t m - t e [K]

23 Solární kolektory legislativní požadavky 23/64 minimální účinnost vyhláška 441/2012 Sb. požaduje pro nové instalace s investiční podporou tepla z OZE (podle zákona o podporovaných zdrojích energie) η > 0.60 pro 30 K plochý dvojstěnný trubkový 0.6 η [-] = 1000 W/m W/m 2 2 η > 0.55 pro 50 K t m - t e [K]

24 Křivka účinnosti = f (t m t e ) 24/64 nejčastěji pro 800 W/m 2

25 Plocha solárního kolektoru 25/64 η = Q& k A k hrubá plocha: A plocha apertury: A a plocha absorbéru: A A

26 Plocha solárního kolektoru 26/64 A A A A A A A a A a A a

27 Plocha solárního kolektoru 27/64 A a = 0,9 A A a = 0,75 A A a = 0,6 A A a = 0,8 A

28 28/64 Účinnost solárního kolektoru A a A 1,0 plochý 0,8 trubkový s plochým absorbérem trubkový s válcovým absorbérem 0,6 η [-] 0,4 0,2 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t e )/ [m 2.K/W]

29 29/64 Konstanty účinnosti - přepočet A A Q k a a k k = =,, η η & a a A A =, 0, η 0 η a a A a A a =, 2 2, η 0,a a 1,a a 2,a η 0, a 1, a 2, a a A a A a =, 1 1, a a A A =, 0, η 0 η a a A A a a =, 1 1, a a A A a a =, 2 2,

30 Výkon solárního kolektoru 30/64 výkon solárního kolektoru (kolmý dopad, jasná obloha) Q& k = A [ η a k ( t t ) a ( t t 0 1 m e 2 m e ) 2 ] instalovaný (nominální, jmenovitý) výkon solárního kolektoru pro definované podmínky (podle ESTIF): = 1000 W/m 2 t e = 20 C t m = 50 C špičkový výkon kolektoru (bez tepelných ztrát) Q& = A η k k 0 = 1000 W/m 2

31 31/64 Stagnační teplota ( ) t t a t t a e m e m = η η = = + = η t t t e m stg smluvní podmínky: t e = 30 C, = 1000 W/m 2 a a a a t t e m + = = η η [(t m -t e )/] η=0

32 Typické stagnační teploty 32/64 Typ kolektoru t stg [ C] Nezasklený kolektor 65 Zasklený neselektivní kolektor 100 Zasklený selektivní kolektor 180 Trubkový jednostěnný vakuový kolektor 300 Trubkový vakuový Sydney kolektor 250

33 Zkoušení solárních kolektorů (podle EN) 33/64 protokol o zkouškách v souladu s ČSN EN křivka výkonu a účinnosti vnitřní přetlak odolnost proti vysokým teplotám vystavení vnějším vlivům vnější tepelný ráz vnitřní tepelný ráz průnik deště (zasklené) mechanické zatížení odolnost proti nárazu žádné jiné certifikáty k prokázání vlastností nejsou potřeba!

34 Analýza přenosu tepla v kolektorech 34/64 má smysl? snižovat emisivitu absorbéru na extrémní hodnoty zvyšovat tloušťku přední vzduchové mezery zvyšovat tloušťku izolace

35 Sálání mezi absorbérem a zasklením 35/64 tepelný tok sáláním q s,abs-p2 T = σ 1 ε p2 4 T 1 + ε abs abs,p 4 p2 1 [W] ε p2 ε abs,p t abs 80 C t p2 30 C ε abs,p ε p h s,abs-p2 6.3 W/m 2 K 0.8 W/m 2 K 0.4 W/m 2 K 8x 16x t p2 t abs

36 Účinnost kolektoru s různou emisivitou 36/64 1,0 0,8 emisivita 5 % emisivita 10 % emisivita 90 % t m = 60 C t e = 20 C = 800 W/m 2 η [-] 0,6 0,4 η 0,05 = 2 % 0,2 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t e )/ [m 2.K/W]

37 Účinnost kolektoru s různou emisivitou 37/64 h k = 17,1 W/(m 2 K) h s = 5,1 W/(m 2 K) h v = 200 W/(m 2 K) h k = 3,34 W/(m 2 K) h s = 0,4 W/(m 2 K) h k = 3,32 W/(m 2 K) h s = 0,8 W/(m 2 K) ε = 0,05 ε = 0,10 h k = 1,7 W/(m 2 K) h s = 3,1 W/(m 2 K) h v = 1,3 W/(m 2 K) h k = 16,1 W/(m 2 K) h s = 3,0 W/(m 2 K) U 0,05 = 4,3 W/(m 2 K) Q k = 460 W/m 2 } 2,1 % U 0,10 = 4,6 W/(m 2 K) Q k = 450 W/m 2

38 Optimální tloušťka vzduchové mezery 38/64 sklon kolektoru 45 oblast použití nepraktické

39 Vliv tloušťky izolace na zisky 39/64 zasklení propustnost 92 % selektivní povrch pohltivost 95 % emisivita 5 % celoměděný absorbér běžná konstrukce kolektoru zvolit 20 nebo 50 mm??? η [-] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 20 mm 30 mm 40 mm 50 mm 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t a)/ [m 2.K/W] příprava teplé vody: 5 m 2 ; 200 l/den 10 až 55 C; zásobník 300 l; t max = 85 C 20 mm: solární podíl f = 56 % měrné využitelné zisky q ku = 430 kwh/m 2 2 % 50 mm: solární podíl f = 58 % měrné využitelné zisky q ku = 440 kwh/m 2

40 40/64 Optická charakteristika kolektoru

41 Optické vlastnosti zasklení - propustnost 41/64 ~ konst

42 Modifikátor úhlu dopadu (K θ, IAM) 42/64 křivka účinnosti platí pro kolmý úhel dopadu θ = 0 x během roku θ 0 η( θ ) = η ( θ ) a 0 1 t m t e a 2 ( t m t e ) 2 incidence angle modifier (IAM) vliv úhlu dopadu slunečního záření na účinnost kolektoru, optická charakteristika kolektoru, činitel úhlové korekce η ( θ ) 0 K θ = IAM = = η0(0 ) F'( τα) F'( τα) θ n

43 Modifikátor úhlu dopadu (K θ, IAM) 43/64 1,0 1,0 K 50 K b 0 = 0,1 50 0,8 0,8 b 0 = 0,1 K θ [-] 0,6 0,4 K θ [-] 0,6 0,4 0,2 0,2 0, θ [ ] 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 1/cosθ -1 K θ 1 = 1 b0 1 cosθ pouze pro plochá zasklení/absorbéry

44 Modifikátor úhlu dopadu (K θ, IAM) 44/64 osově symetrický kolektor (plochý kolektor) K θ = K θ,l = K θ,t osově nesymetrický kolektor (trubkový kolektor) válcová apertura, plochý absorbér válcová apertura, válcový absorbér K θ = K θ,l (θ L ). K θ,t (θ T ) = K θ (θ L,0). K θ (0,θ T ) η( θ ) = K η a θ 0 1 t m t e a 2 ( t m t e ) 2

45 Opticky osově nesymetrický kolektor 45/64 K θ = K θ,l (θ L ). K θ,t (θ T ) 2 2 tg θ = tg θ L + tg 2 θ T

46 Modifikátor úhlu dopadu (K θ, IAM) 46/64 plochý kolektor trubkový kolektor s plochým absorbérem 1,6 1,6 1,4 1,4 1,2 1,2 1,0 K θ,l = K θ,t 1,0 K θ,t K θ [-] 0,8 K θ [-] 0,8 K θ,l 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 0, θ [ ] 0, θ [ ]

47 Modifikátor úhlu dopadu (K θ, IAM) 47/64 trubkový kolektor s válcovým absorbérem bez reflektoru trubkový kolektor s válcovým absorbérem s reflektorem 1,6 1,6 1,4 K θ,t 1,4 1,2 1,2 K θ,t 1,0 1,0 K θ [-] 0,8 K θ,l K θ [-] 0,8 K θ,l 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 0, θ [ ] 0, θ [ ]

48 Modifikátor úhlu dopadu 48/64 Je nezbytné: uvažovat optickou charakteristiku jako komplex IAM * η 0 vysoký nárůst IAM při úhlech naznačuje nízkou η 0 a opačně...

49 Zkouška modifikátoru (EN 12975) 49/64 stanovení účinnosti při (t m t e ) 0 ± 1 K optická účinnost η 0 K θ = IAM η0( θ ) = η (0 ) 0 pro různé θ η( θ )( = t m t e η (0 ) 0 ) = 0 ploché kolektory K 50 stanovení účinnosti η(θ) při (t m t e ) 0 trubkové kolektory K T,50 K θ η( θ ) = + a 1 ( t m t e ) + a η (0 ) 0 2 ( tm t e ) 2 K L po 10

50 Modifikátor úhlu dopadu 50/64 1,2 1,0 0,8 plochý kolektor (prizmatické zasklení) IAM 50 = 0,90 1,8 1,6 1,4 1,2 K L IAM 0,6 IAM 1,0 0,8 0,4 0,6 0,2 0, ,4 0,2 0,0 trubkový v příčném směru θ [ ] θ [ ]

51 Výkon kolektoru v reálných podmínkách 51/64 ze zkoušky tepelného výkonu: účinnostní charakteristika η = η 0 a 1 t m t e a 2 ( tm t e ) 2 ze zkoušky modifikátoru: optická charakteristika K θ,b η0( θ ) = η (0 ) 0 π / 2 K θ, d = K ( θ )sin2θdθ 0 výkon kolektoru pro obecné podmínky (přímé, difúzní záření) Q& = A [ η k a 0 2 ( K + K ) a ( t t ) a ( t t ) ] θ,b b,t θ,d d,t 1 m e 2 m e

52 Výkon kolektoru v reálných podmínkách 52/ jasný den sluneční ozáření 800 plochý atmosférický reálný trubkový vakuový W/m oblačný den :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

53 Porovnání kolektorů (pro 40 C) 53/ k ploše apertury A a t m = 40 C k hrubé ploše A 500 kwh/m 2.rok PK1 PK2 PK3 PK4 TP1 TV1 TV2 TV3 TV4 TR1 TR2 TR3

54 Porovnání kolektorů (pro 80 C) 54/ k ploše apertury A a t m = 80 C k hrubé ploše A 300 kwh/m 2.rok PK1 PK2 PK3 PK4 TP1 TV1 TV2 TV3 TV4 TR1 TR2 TR3

55 Závěry... nelze paušalizovat! 55/64 Pro zhodnocení výkonnosti solárního kolektoru: nestačí pouze informace o typu kolektoru (plochý atmosférický, vakuový s plochým absorbérem, vakuový Sydney s reflektorem, vakuový Sydney bez reflektoru) nestačí pouze křivka účinnosti, je nutné znát i optickou charakteristiku (zvláště u trubkových kolektorů) je nutné znát provozní a klimatické podmínky v jakých bude solární kolektor nasazen je nutné znát konkrétní účel hodnocení vztažení výkonnosti na plochu apertury nebo na hrubou plochu?

56 VYKON_SK pro hodnocení výkonnosti 56/64 geometrie (sklon, orientace, zeměpisná poloha, albedo) křivka účinnosti provozní teplota optická charakteristika výsledky křivka výkonnosti

57 Křivka výkonnosti 57/ sklon kolektoru 45 TMY Praha q k [kwh/m 2.rok] t m [ C]

58 Křivka výkonnosti 58/64

59 Porovnání ceny solárních kolektorů 59/ Kč/m 2 bez DPH Kč/m Kč/m ploché atmosférické kolektory trubkové vakuové s plochým absorbérem trubkové vakuové Sydney bez reflektoru trubkové vakuové Sydney s reflektorem Kč/m Kč/m

60 Zkoušení ve venkovním prostředí 60/64

61 Zkoušení ve vnitřním prostředí 61/64

62 Solar Keymark 62/64 Certifikační značka kvality (vlastník CEN) průmyslově vyráběné solární kolektory, solární soustavy dobrovolná certifikace třetí stranou, komplexní shoda s danou EN nejde o CE značku! (shoda s evropskými směrnicemi nebo normami), u běžných kolektorů nelze získat zdokumentovaná inspekce výroby (ISO 9000) inspektor vybírá jakýkoli kolektor ze skladu kontinuální shoda (stálý dohled - revize výrobku v časových intervalech) celkem 28 laboratoří zmocněných pro udělování značky informace: kolektor prošel VŠEMI zkouškami podle EN normy neříká, zda kolektor JE nebo NENÍ účinný, pouze neměnnost účinnosti

63 Solar Keymark 63/64 1,0 ploché solární kolektory 0,8 0,6 η [-] 0,4 0,2 = 1000 W/m 2 0, t m - t e [K]

64 Solar Keymark 64/64 1,0 trubkové solarní kolektory 0,8 0,6 η [-] 0,4 0,2 = 1000 W/m 2 0, t m - t e [K]