Skriptum pro studenty prezenčního a kombinovaného studia

Transkript

1 Skriptum pro studenty prezenčního a kombinovaného studia Tato publikace byla vytvořena v rámci realizace projektu Efektivní energetický region Jižní Čechy Dolní Bavorsko Zadavatel: Jihočeská hospodářská komora Husova České Budějovice Zpracovatel: Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích Okružní 517/ České Budějovice EVROPSKÁ UNIE Evropský fond pro regionální rozvoj Tento projekt je financován Evropskou Unií prostřednictvím Evropského fondu pro regionální rozvoj v rámci programu Evropská územní spolupráce Cíl 3 Česká republika Svobodný stát Bavorsko

2 Obsah Obsah... 2 Předmluva... 3 Poděkování za spolupráci... 3 Kapitola 1: Sluneční energie... 4 Kapitola 2: Solární kolektor a jeho typy... 8 Kapitola 3: Charakteristické parametry solárních kolektorů Kapitola 4: Zkoušení solárních kolektorů Studijní materiály... 59

3 Předmluva Toto skriptum pro předmět PTV Progresivní technologie ve výstavbě je určeno studentům prezenčního a kombinovaného studia. Skriptum podá studentům základní informace o sluneční energii, solárních kolektorech, charakteristických parametrech solárních kolektorů a jejich zkoušení. Poděkování za spolupráci Vytvoření tohoto skripta bylo financováno z programu přeshraniční spolupráce Cíl 3 Česká republika Svobodný stát Bavorsko Poděkování patří především Jihočeské hospodářské komoře a přednášejícím ze Strojní fakulty ČVUT - Ing. Jan Schwarzer, Ph.D., Doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D., kteří poskytli podklady pro vytvoření tohoto studijního materiálu. 3

4 Kapitola 1: Sluneční energie Klíčové pojmy: Slunce, sluneční, solární, sluneční ozáření, dávka ozáření, orientace kolektoru, sklon kolektoru, sluneční konstanta, přímé sluneční záření, difuzní sluneční záření Cíle kapitoly: - základní znalost terminologie, - získání představy o hodnotách celkového slunečního ozáření, - získání představy o průchodu slunečního záření atmosférou, - znalost optimální orientace a sklonu plochy solárního kolektoru. Výklad: Čeština nám umožňuje rozlišit pojem solární a sluneční. Sluneční energie sluneční záření základní pojmy dopadající energie Sluneční x solární sluneční: přicházející od Slunce, související se Sluncem sluneční záření, sluneční aktivita, dopadající sluneční energie, sluneční konstanta solární: využívající sluneční záření solární kolektor, solární soustava, využitá solární energie, solární zisky Máme dva základní pojmy, jeden je výkonový a druhý je energetický. Sluneční ozáření je výkonová veličina. Je to hustota zářivého výkonu, která přichází ze Slunce a je ve wattech na metr čtvereční. 4

5 Dávka ozáření je hustota zářivé energie, která působí určitý čas, je integrací za určitý časový úsek (energie za určitý časový úsek). Např. od východu do západu slunce (denní dávka ozáření). Sluneční záření pojmy sluneční ozáření G [W/m 2 ] zářivý výkon dopadající na jednotku plochy, hustota slunečního zářivého toku dávka ozáření H [kwh/m 2, J/m 2 ] hustota zářivé energie, hustota zářivého toku dopadající za určitý časový úsek, např. hodinu, den Pokud bychom si zprůměrovali dopadající sluneční ozáření za celý rok v různých oblastech v ČR, tak lze udělat solární mapu. Na obr. 1.1 je patrný veliký rozdíl mezi severními Čechy a jižní Moravou. Obr. 1.1 Roční dávky slunečního záření na vodorovnou plochu v ČR v MJ/(m 2.rok), zdroj: ČHMÚ Roční dávka ozáření v ČR: pro sklon 30 až 45, jižní orientace: 1000 až 1200 kwh/m 2 pro sklon 90, jižní orientace: 750 až 900 kwh/m 2 5

6 Optimální orientace a sklon plochy kolektoru Obr. 1.2 Roční úhrny energie slunečního záření v závislosti na orientaci a sklonu plochy Sluneční energie, která dopadne za určitý časový úsek na plochu, je závislá na orientaci (azimutu) plochy a jejím sklonu. Optimální orientace plochy kolektoru je z hlediska ročního úhrnu sluneční energie jižní. Pokud je azimut plochy kolektoru od jižního směru do 45, tak roční úhrn dopadající energie poklesne až o 10 %. Z krajní orientace plochy kolektoru jihovýchodní a jihozápadní je lepší orientace jihozápadní, protože vyšší odpolední teploty vzduchu mají za následek menší tepelné ztráty kolektoru a tudíž tato orientace zajistí vyšší účinnost soustavy. Západní nebo východní orientace již způsobuje značný pokles získané energie a to i o více než 20 %. Optimální sklon kolektoru, který zajistí nejvyšší úhrn energie za rok v podmínkách České republiky, je přibližně 35 (prosazuje se především pro fotovoltaiku). Pokud bereme v potaz využitelnost sluneční energie za časový úsek celého roku, tak je vhodné použít sklon mezi 40 až 50. Pro sezónní systémy pracující jenom v létě (např. koupaliště) je vhodný sklon 10 až 30. Pro vytápění během zimního období, pokud nepotřebujeme letní využití energie, tak lze volit sklon 70 až 90. 6

7 Sluneční energie v číslech Na vnější povrch atmosféry dopadá sluneční záření v dosud nerozptýlené formě. Průchodem atmosférou však dochází k rozptýlení záření, které je způsobeno např. kapičkami vody, prachem. Část zářivého toku tedy přijímáme v rozptýlené formě, tzv. difuzní sluneční záření. Difuzní sluneční záření je všesměrové a ve všech směrech má stejnou intenzitu. Nerozptýlené záření, které má jednoznačně směrový charakter, označujeme jako přímé sluneční záření. Výkonová hustota přímého slunečního záření je ve srovnání s difuzním velmi závislá na úhlu dopadu. Celkové sluneční ozáření je součtem přímého slunečního ozáření a difuzního slunečního ozáření. Celkové sluneční ozáření při jasné obloze může nabývat hodnoty až 1000 W/m 2. Naopak při zatažené obloze může poklesnout i na desetinu této hodnoty. Dávka ozáření energie, která za den dopadne na metr čtvereční plochy, může být u zimních jasných dnů přibližně 3 kwh/m 2.den a u letních dnů 8 kwh/m 2.rok. I když by bylo v létě a v zimě stejné počasí, stejně jasná obloha, tak bychom nedosáhli na stejné dávky ozáření, protože v zimě je den daleko kratší než v létě. sluneční ozáření G (výkon) jasná obloha 800 až 1000 W/m 2 polojasno 400 až 700 W/m 2 zataženo 100 až 300 W/m 2 dávka ozáření H (energie) zima jaro, podzim léto 3 kwh/(m 2.den) 5 kwh/(m 2.den) 8 kwh/(m 2.den) 7

8 Kapitola 2: Solární kolektor a jeho typy Klíčové pojmy: Teplonosná látka, zasklení, tlak výplně, absorbér, fototermální přeměna, registr, vzduchový kolektor, kapalinový kolektor, plochý solární kolektor, plochý solární vakuový kolektor, trubkový vakuový kolektor, tepelná trubice, Sydney trubka, koncentrační kolektor, lineární ohnisko, bodové ohnisko, parabolický reflektor, Winstonův kolektor, Fresnellova čočka, fasetový reflektor, heliostat Cíle kapitoly: - znalost základních druhů solárních kolektorů a jejich principu, - získání představy o výhodách a nevýhodách jednotlivých druhů solárních kolektorů. Výklad: Solární kolektor je zařízení určené k pohlcení slunečního záření a jeho přeměně na tepelnou energii, která je předávána teplonosné látce protékající kolektorem. Při absorpci slunečního záření na povrchu tuhých látek a kapalin se mění energie dopadajících fotonů slunečního záření v teplo (pohyb molekul). Základním prvkem solárního kolektoru je absorpční plocha, která pohlcuje sluneční záření a přitom se ohřívá. Tepelná energie se z absorpčního povrchu odvádí teplonosnou látkou (nejčastěji voda nebo nemrznoucí směs) proudící v registru spojeném s absorpčním povrchem. Solární tepelný kolektor je často zasklený. Zasklení výrazně snižuje tepelné ztráty absorbéru a to nejenom tepelné ztráty sáláním (zasklení nepropustí dlouhovlnné záření), ale také vytváří před absorbérem vzduchovou vrstvu, která má funkci tepelného odporu mezi absorbérem a okolním prostředím. Kvůli snížení tepelných ztrát kolektoru se umisťuje na zadní a boční stěny kolektoru tepelná izolace, která je uchycena v rámu kolektoru (obr. 2.1). Fototermální přeměna jímací plocha (obecně kolektor) plocha, na které se sluneční záření pohlcuje a mění na teplo (kolektor zasklení, absorbér) akumulátor (zásobník tepla) 8

9 uchování solárních zisků pro využití (akumulační zásobník, stěna, hmota v prostoru,...) spotřebič příprava teplé vody, vytápění, chlazení, prostor Obr. 2.1 Plochý solární tepelný kolektor Solární kolektory je možné rozlišit podle řady hledisek. Základním kriteriem rozlišení je druh použité teplonosné látky vzduchové a kapalinové kolektory. Vzduchových kolektorů se moc neprojektuje. V dřívějších dobách se používali v zemědělství při sušení zemědělských produktů. Dnes se občas používají pro předehřev větracího vzduchu. Problémem je využitelnost vzduchových kolektorů v létě. Téměř výhradně se používají kapalinové solární kolektory, u kterých je teplonosnou látkou voda nebo nemrznoucí směs vody a propylenglykolu. Kapalinové kolektory můžeme podle konstrukce rozlišit na ploché, trubicové a koncentrační. Kolektory bez zasklení slouží především pro ohřev TV. Většina kolektorů dnes má jednoduché zasklení. Na trhu jsou i kolektory s vícevrstvým zasklením, které slouží ke snížení tepelné ztráty, zároveň se ale zhoršují optické vlastnosti. 9

10 Podle tlaku výplně dělíme kolektory na atmosférické nebo subatmosférické (vakuové), ty mají vnitřní prostor vakuovaný. To zajistí velmi nízkou tepelnou ztrátu kolektoru. Další dělení je podle materiálu absorbéru plastový absorbéru, kovový absorbéru selektivní nebo neselektivní, akumulační absorbéru. Obr. 2.2 Solární kolektory rozdělení Vzduchové solární kolektory teplonosnou látkou je vzduch ohřívá se vně nebo uvnitř absorbéru nízká tepelná kapacita, vysoké průtoky, velké rozměry spotřeba el. energie na pohon použití: zemědělství sušení, obytné budovy ohřev větracího vzduchu Teplonosná látka neproudí v absorbéru, ale proudí kolem něj, obtéká ho a odnímá z něho teplo. Čím větší je průtok, tím větší je přestup tepla z povrchu absorbéru do vzduchu. U vzduchových kolektorů účinnost velmi záleží na průtoku. V praxi se s nimi moc nesetkáme, přesto máme několik typů. Ten nejjednodušší vzduchový kolektor má černé dno a kolem něj proudí vzduch (obr. 2.3 a). Kolektor může obsahovat textílii, která odnímá teplo (obr. 2.3 b) nebo obsahuje žaluzie, které zvětšují teplosměnnou plochu (obr. 2.3 c), případně obsahuje děrované lamely (obr. 2.3 d). 10

11 Obr. 2.3 Typy vzduchových kolektorů Problém vzduchových kolektorů je, že je vzduch velmi špatná teplonosná látka. Má malou hustotu, a proto pro přenos kw výkonu potřebujeme mnohem více vzduchu než např. vody. To zapříčiňuje velké dimenze potrubí a velké množství energie na pohon. Obr. 2.4 Vzduchový kolektor firmy Grammer Solar 11

12 Vzduch zde proudí jak kolem přední části, tak v zadní části. Směrem dozadu lamely rozšiřují teplosměnnou plochu absorbéru pro lepší přestup tepla, zatímco nahoře je plocha minimalizovaná kvůli tepelným ztrátám. Obr. 2.5 Vzduchový kolektor z trapézového plechu integrovaný do střešního pláště Levnou variantou vzduchového kolektoru lze získat integrací natřeného zaskleného trapézového plechu do střešního pláště (obr. 2.5). Tento typ lze použít například pro předehřev vzduchu pro tepelné čerpadlo. Obr. 2.6 Detail připojení vzduchových kolektorů do společného potrubí Ideální realizace je, pokud se povede integrovat vzduchový kolektor např. do fasády nebo střešního pláště a připojovací potrubí je schované. 12

13 Kapalinové solární kolektory teplonosnou látkou je kapalina (voda, nemrznoucí směs, olej, atd.) energie pohlcená na povrchu absorbéru je odváděna teplonosnou látkou proudící uvnitř trubek absorbéru Obr. 2.7 Kapalinový solární kolektor - absorbér s registrem Kapalinové kolektory mají výhodu, že proudící kapalina má vysokou hustotu, vysokou měrnou tepelnou kapacitu, z toho plyne, že kapalinové kolektory mají malé dimenze rozvodů. Kapalina vždycky teče uvnitř absorbéru. Máme různé druhy kapalinových kolektorů, ať už jsou to nezasklené kolektory, které mají tu nevýhodu, že nemají vzduchovou mezeru - tepelný odpor, a díky tomu ztrácejí velké množství energie. Výkon padá okamžitě dolů. V případě, že je silnější vítr, tak navíc dochází k tepelné ztrátě prouděním. Možné použití nezasklených kolektorů je tam, kde teplotní úroveň, kam dáváme teplo z kolektorů je o maximálně 10 až 20 K nad úrovní okolí bazénové aplikace, sezónní aplikace, případně pro TČ. Nekryté (nezasklené) solární kolektory teplotní hladiny do 40 C vhodné pro sezónní aplikace, ohřev bazénové vody výrazně závislé na okolních podmínkách (teplota, proudění vzduchu) 13

14 Absence zasklení zlepšuje optické vlastnosti kolektoru, protože nemusíme uvažovat ztráty odrazem na zasklení. Nevýhodou naopak je, že kolektor vykazuje vysoké tepelné ztráty. Výkon kolektoru je výrazně ovlivňován okolním prostředím (rychlost větru, teplota okolí). Pro výrobu nekrytých absorbérů je nejpoužívanějším materiálem plast (PP, EPDM) a nerez (se selektivními povlaky). Obr. 2.8 Plastové nekryté kolektory Ploché kryté solární kolektory Ploché kryté solární kolektory s jednoduchým zasklením patří k nejprodávanějším typům. Jejich využití je především pro přípravu teplé vody nebo vytápění. Základem je absorbér se selektivním povrchem. Na absorbér je nalisován nebo navařen registr, kterým je odváděno pohlcené teplo. Ploché kolektory s dvojitým zasklením se používají méně často, jejich využití je hlavně pro aplikace s předpokládanou vyšší teplotou. Vnitřní zasklení je možno nahradit napjatou teflonovou fólií. Obr. 2.9 Složení plochého atmosférického solárního kolektoru 14

15 Ploché kryté solární kolektory 1 rám 2 těsnění 3 transparentní kryt 4 tepelná izolace 5 absorbér 6 trubkový registr Tepelná izolace v zadní části kolektoru má větší tloušťku než izolace na boku, která by neúměrně zvětšila skladebný rozměr kolektoru. Ploché kolektory jsou vhodné pro integraci do obálky budovy - do fasády nebo střechy. Obr Integrace plochých solárních kolektorů do střechy (vlevo) a do fasády (vpravo) Někdy se výrobci předhánějí, kdo má více izolace kolem kolektoru. Obecně od cca 3 cm to je sporné, protože kolektory se používají nejčastěji v aplikacích ohřevu teplé vody a zvětšení tloušťky izolace například na 6 cm představuje asi 1 % v ziscích. Není potřeba tak extrémně izolovat kolektor, když ohříváme teplou vodu do nějakých 50 C. S izolací kolektorů je to jako s izolací domů, tam také pokud dáme dvojnásobnou tloušťku izolace, tak nám neklesne tepelná ztráta na polovinu. 15

16 Ploché vakuové solární kolektory Vnitřní absolutní tlak se pohybuje od 1 kpa do 10 kpa. Ploché vakuové kolektory nemají standardní tepelnou izolaci. Tepelnou izolaci zajišťuje vakuum v prostoru skříně kolektoru, která musí být velmi těsná. Na sklo působí vnější atmosférický přetlak. Aby nedošlo k prasknutí skla, tak se sklo podepírá nerezovými rozpěrkami, které procházejí otvory absorbéru bez tepelného kontaktu. Obr Řez plochým vakuovým solárním kolektorem Trubkové vakuové solární kolektory Trubkové vakuové solární kolektory mají válcové zasklení a prostor mezi zasklením a absorbérem má velmi nízký tlak pod 1 mpa. Vakuum minimalizuje přenos tepla vedením a prouděním. K malému přenosu tepla mezi absorbérem a zasklením dochází hlavně sáláním. Pro kontrolu vakua se používají v trubce tzv. getry, které mění barvu, pokud se do trubky dostane vzduch. Porušení trubky a následná ztráta vakua lze zjistit i na základě povrchové teploty. Trubky s vysokým stupněm vakua mají teplotu odpovídající teplotě okolí, ale porušené trubky mají teplotu mnohem vyšší. Trubkové vakuové kolektory lze použít i pro aplikace, kdy se využívá sluneční záření při vysokých provozních teplotách (solární chlazení, průmysl). Výhoda nízké tepelné ztráty se může stát i nevýhodou a to především při pokrytí kolektoru sněhem nebo námrazou. Díky nízké tepelné ztrátě je efektivita odtávání sněhu a mrazu velmi nízká. 16

17 Trubkové vakuové solární kolektory se dle konstrukce dělí na: trubkové kolektory s jednostěnnou trubkou a plochým absorbérem v jednostěnné trubce je vakuum a v něm máme umístěnou plochou lamelu, která je přivařená na trubkový registr. trubkové kolektory s dvojstěnnou trubkou s válcovým absorbérem (Sydney typ) kolektor má dvě stejné trubky a prostor mezi nimi je vakuovaný. Uvnitř vnitřní trubky je atmosférický tlak, zatímco v meziprostoru trubek je vakuum (obdoba termosky). Absorpční povrch je natavený na celém vnějším povrchu vnitřní trubky, proto dokáže přijímat záření ze všech stran i ze zadní části např. od zrcadla. Podle způsobu odvodu tepla se trubkové kolektory dělí na: přímo protékané na absorbéru je umístěna trubka s teplonosnou kapalinou (koncentrické potrubí vnitřní trubka přivádí teplonosnou kapalinu, zatímco v meziprostoru se kapalina ohřívá a je odváděna; U registr trubka ve tvaru U s přívodní a vratnou trubkou) s tepelnou trubicí na absorbéru je umístěn výparník (suché napojení kondenzátor je umístěn v pouzdru omývaném teplonosnou látkou; mokré napojení kondenzátor je přímo omývaný teplonosnou látkou) Obr Jednostěnná vakuová trubka (plochý absorbér) 17

18 Obr Dvojstěnná vakuová trubka - Sydney (válcový absorbér) Jednostěnná vakuová trubka s plochým absorbérem přímo protékaný registr (PP) Obr Příčný a podélný řez jednostěnným vakuovaným kolektorem s protékaným U registrem 18

19 Jednostěnná vakuová trubka s plochým absorbérem tepelná trubice (TT) Obr Příčný a podélný řez jednostěnným vakuovaným kolektorem s tepelnou trubicí V tepelné trubici se odpařuje pracovní látka. V podtlaku tato látka začíná vařit např. už při 20 C. Začíná se tedy odpařovat, stoupá do kondenzátoru, kde teplo odevzdává a zase se vrací do absorbéru. Přenáší tedy teplo mezi absorbérem a kondenzátorem. Obr Jednostěnné vakuované trubkové kolektory: (vlevo) s přímo protékaným koncentrickým potrubím; (vpravo) s tepelnou trubicí. Zdroj: Viessmann 19

20 Obr Pohled na jednostěnný vakuovaný trubkový kolektor Dvojstěnná vakuová Sydney trubka s válcovým absorbérem přímo protékaný registr (s kontaktní lamelou), PP Obr Příčný a podélný řez trubkovým vakuovaným kolektorem Sydney s přímo protékaným U - registrem Pro Sydney kolektory je nezbytná tepelně vodivá teplosměnná lamela mezi absorbérem a trubkovým registrem, kterým proudí voda. Jedná se o kolektory, které jsou dováženy především z Číny. Byly vyvinuty na univerzitě v Sydney. 20

21 Obr Pohled na vakuové skleněné Sydney trubky. Zdroj: OPC České Budějovice 2012 Obr Vakuové trubkové Sydney kolektory Sydney trubky si české firmy nakupují nejčastěji v Číně a vyrobí si vnitřní část, případně i tu si dovezou z Číny. Důležitá je lamela. Ta je většinou z hliníku, který je poměrně levný a navíc tvárný, takže je možno ho napružit a vložit do skleněné trubky, kde se roztáhne. Na lamele je nalisované měděné potrubí. Je třeba zajistit vysokou účinnost při přenosu tepla z lamely do potrubí registru. Z dálky jsou dobře rozpoznatelné, protože aby si nestínili vůči šikmým paprskům, tak jsou trubice v určité distanci od sebe. Jak poznáme, že kolektory jsou plně funkční? Můžeme rozebrat konec trubky, na který je nastříknutý povlak, což je oxid baria, který má tu vlastnost, že výrazně pohlcuje výpary plynů a tím, jak je pohlcuje, tak mění barvu (zbělá nebo úplně zmizí). To je jedna možnost, jak poznat, že máme porušenou trubici. Jednodušší způsob, jak 21

22 poznat, že došlo k poškození je, když na ni svítí sluníčko, tak si na ni šáhnu a protože je tam vakuum, tak jsou studený. Pokud je trubka porušená, je tam vysoká tepelná ztráta a vnější trubice je rozehřátá. Obr Vakuové trubkové solární Sydney kolektory - barium pro pohlcení plynů - změna barvy Obr Vakuové trubkové solární Sydney kolektory negativum vakuové izolace = sníh či námraza odtává velmi pomalu 22

23 Instalace trubkových Sydney kolektorů na šikmých střechách je problematická v oblastech s vysokou mírou sněžení. Naakumulovaný sníh na kolektorech způsobuje nejen energetické ztráty, ale i výrazně zatěžuje trubky a rám kolektoru. Nízká tepelná ztráta trubkových kolektorů je v tomto případě spíše nevýhodou. U zasněženého plochého kolektoru lze pustit teplou teplonosnou látku do kolektoru a zajistit tak roztátí sněhu a ledu. Pokud se pustí teplonosná látka do vakuových kolektorů, které nemají tak vysokou ztrátu, tak by to bylo jak časově, tak energeticky velmi náročné. Je otázkou, zda tyto kolektory dávat do horských oblastí, kde od listopadu do jara na nich leží sníh. V tuto dobu však mají vyšší účinnost než ploché kolektory. Obr Odtávání sněhu na plochých solárních kolektorech (tepelné ztráty umožňují provoz i v době zvýšené sněhové pokrývky) Na obr je vidět, jak krásně odtává plochý kolektor, protože má vyšší tepelnou ztrátu. Stačí odkrýt jen kousek kolektoru, ten se pak od Slunce nahřeje a sníh sjede. Trubkové kolektory - tepelná trubice (TT) Obr Princip trubkového kolektoru s tepelnou trubicí 23

24 V tepelné trubici je pracovní látka, která se ohřívá a stoupá do kondenzátoru, kde při zkondenzování odevzdá teplo teplonosné kapalině a stéká dolů do výparníku. Vhodné a nevhodné napojení tepelné trubice: suché napojení tepelné trubice (kondenzátor uložen v pouzdru, které je omývané teplonosnou látkou) Obr Suché napojení tepelné trubice (spoj mezi kondenzátorem a pouzdrem) Přestup tepla je problematický. Jsou výrobci, kteří na spoj aplikují pastu na procesory (vysoká tepelná vodivost), tím značně zlepší účinnost (cca o 25 %). mokré napojení tepelné trubice (kondenzátor tepelné trubice přímo omývaný teplonosnou látkou) Obr Mokré napojení tepelné trubice Kondenzátor je přímo vložen do teplonosné látky. Napojení je nejčastěji řešeno jako závitové nebo bajonetové. 24

25 Výhodou trubkových Sydney kolektorů je, že dokážeme chytat sluneční záření i při brzském dopoledni a pozdním odpoledni a případně dokážeme využít odrazu od střechy, případně od nějakých cílených reflektorů či odrazných prvků za kolektorem (obr. 2.27). Otázkou je, jak dlouho reflektor odráží jako zrcadlo, to znamená, že úhel dopadu se rovná úhlu odrazu. Jakmile odrazný plech zmatní, tak při dopadu slunečního záření dochází k odrazu do všech směrů difuzí. Obr Trubkové solární kolektory s reflektorem Koncentrační (soustřeďující) solární kolektory Pracují na principu koncentrace přímého slunečního záření odrazem od zrcadel nebo lomem čočkami do ohniska. V ohnisku (lineární nebo bodové ohnisko) je umístěn absorbér. lineární ohnisko parabolický reflektor Winstonův kolektor kolektor s Fresnellovou čočkou bodové ohnisko paraboloidní reflektor fasetové reflektory, heliostaty 25

26 Obr Solární čajovna Koncentrační kolektory vždy soustředí záření z větší plochy na menší. Koncentraci slunečního záření můžeme získat buď odrazem, nebo lomem. Koncentrační solární kolektory potřebují ke svému provozu dostatečné množství přímého slunečního záření. Přímé sluneční záření má směrový charakter, můžeme ho lámat, odrážet. Difuzní sluneční záření má naopak všesměrový charakter. V České republice máme cca 50 % přímého a 50 % difuzního záření, což je nedostatečné pro větší rozvoj solárních elektráren. Princip solárních elektráren je založen na tom, že sluneční záření se odráží do velmi malého lineárního ohniska, kterým prochází minerální olej o teplotě cca C. Druhou možností je koncentrace sluneční záření do jednoho bodu. Pak máme teplotu až tis. C, koncentrujeme zde tepelnou energii z velmi velké plochy, řádově kilometry čtvereční. Obr Koncentrační solární kolektory (odraz) 26

27 Obr Koncentrační kolektory s Fresnellovou čočkou (lom) zdroj: ENKI Zajímavou aplikací je koncentrační kolektor s Fresnellovou čočkou u kterého dochází ke koncentraci slunečních paprsků lomem na lineární čočce, která má parabolicky zahnutý povrch a je z ní odstraněna veškerá hmota, která se nepodílí na lomu. V lineárním ohnisku je umístěn absorbér, kterým protéká teplonosná látka, která odvádí energii přímého slunečního záření do zásobníku. Do místnosti vstupuje pouze difuzní sluneční záření, které nám zajišťuje příjemné osvětlení bez výrazných stínů a v momentě, kdy potřebujeme přitopit, tak pouze s absorbérem vyjedeme z ohniska a pustíme do místnosti přímé sluneční záření. 27

28 Kapitola 3: Charakteristické parametry solárních kolektorů České Budějovice 2012 Klíčové pojmy: Jednoduché zasklení, dvojité zasklení, antireflexní povlak, prizmatické sklo, propustnost, odrazivost, teplotní spád, účinnostní součinitel kolektoru Cíle kapitoly: - znalost základních typů spojů mezi registrem a absorbérem, - získání představy o energetické bilanci solárních kolektorů, - mít představu o vlivu zvoleného materiálu a geometrie absorbéru na účinnost kolektoru. Výklad: Na základě jednoduché bilance lze říci, že přicházející sluneční záření dopadá na zasklení, část záření se od zasklení odrazí, protože zasklení nemá 100 % propustnost. Velmi malý podíl, zhruba 1 % se pohltí zasklením. Zasklení je nízkoželezité, má velmi malý podíl kovových částic a má malou pohltivost pro záření. Záření, které projde zasklením, dopadá na absorbér. Absorbér nemá 100 % pohltivost, takže část se opět odrazí. Pohlcené záření na absorbéru zvyšuje jeho teplotu. Jakmile ale zvýšíme teplotu nad teplotu okolí, tak dochází k tepelným ztrátám. Větší část tepla ztrácíme přední částí kolektoru, kde máme vzduchovou vrstvu. Menší část tepla odchází zadní částí kolektoru. Zbytek je využitelná energie kolektoru, kterou odvádíme chladicím registrem kolektoru. Obr. 3.1 Koncentrační solární kolektory princip 28

29 Zasklení solárního kolektoru jednoduché zasklení sklo s nízkým obsahem FeO 3 ( solární, nízkoželezité ) snížení pohltivosti materiálu zasklení antireflexní povlaky snížení odrazivosti rozhraní sklo-vzduch prizmatické sklo (pyramidový vzor, textura) zvýšení propustnosti při vyšších úhlech dopadu dvojité zasklení solární sklo + folie (teflon), nižší ztráty, nižší propustnost Je třeba zvýšit propustnost zasklení, tedy snížit optické ztráty odrazem. To můžeme zajistit povlakem. Naneseme ještě jeden povlak, který sníží ztrátu odrazem na jednom povrchu zhruba o 1,5 %. Dalším typem skla je prizmatické sklo. Je to extrudované sklo, přes které není moc dobře vidět na kolektor. Prizmatické sklo mělo vždycky za účel zalomit dopadající šikmé paprsky na absorbér, tedy zvýšit propustnost při vysokém úhlu dopadu. Optické ztráty odrazem odraz na každém rozhraní sklo-vzduch 4 % (při kolmém dopadu) prakticky nezávislé na tloušťce Obr. 3.2 Solární sklo bez aplikace AR povlaků Solární skla mají optickou propustnost cca 91 %. 29

30 Antireflexní (AR) povlaky odrazivost se sníží na 1,5 % na každém rozhraní sklo-vzduch vrstva s významně nižším indexem lomu (mechanické, chemické procesy) Obr. 3.3 Solární sklo s aplikací AR povlaků Dvojité zasklení se 4 AR povlaky má propustnost 92 % > jednoduché zasklení bez AR povlaků 91 %. Tepelné ztráty kolektoru tepelná ztráta zasklením cca % celkové ztráty kolektoru násobná zasklení speciální struktury Obr. 3.4 Komůrkové struktury 30

31 Obr. 3.5 Voštinové struktury Optické vlastnosti zasklení propustnost Optické vlastnosti zasklení, to není jenom propustnost zasklení, ale i závislost na úhlu dopadu. Se zvyšováním úhlu dopadu slunečních paprsků na zasklení rostou ztráty odrazem. Propustnost slunečního záření zasklením nepatrně klesá až do úhlu přibližně 50, po překročení této hodnoty propustnost velmi výrazně klesá. Pro lepší propustnost při vyšších úhlech dopadu se používají prizmatická skla. Většina prodaných solárních kolektorů má jednoduché zasklení. Větší počet zasklení eliminuje tepelnou ztrátu, ale zároveň i celkovou propustnost sluneční energie (zhoršení optické účinnosti). Obr. 3.6 Závislost propustnosti jednoduchého, dvojitého a trojitého zasklení na úhlu dopadu 31

32 Obr. 3.7 Vliv počtu zasklení na účinnost solárního kolektoru Absorpční povrch teorie záření, radiační vlastnosti těles Absorpční povrch se zahřívá, pokud pohlcuje sluneční záření. K tomu je nutné, aby byl povrch co nejvíce pohltivý v oblasti vlnových délek slunečního záření (krátké vlnové délky 0,3 až 3µm). Zahřátím povrchu však dochází k větším tepelným ztrátám, které jsou způsobeny především sáláním, proto je vhodné, pokud má povrch nízkou emisivitu v oblasti infračerveného záření (dlouhé vlnové délky > 3 µm). Absorpční povrchy, které splňují uvedené předpoklady, se označují jako spektrálně selektivní. Pokud se podíváme na jakékoliv těleso, kterým neprochází záření, tak má dvě vlastnosti a to pohltivost a odrazivost. Pro každou vlnovou délku je součet pohltivosti a odrazivosti roven 100%. Pro povrch při dané konkrétní vlnové délce záření (viditelné, infračervené, ultrafialové, tepelné) platí, že pohltivost je zároveň zářivostí (emisivitou). To co se při dané vlnové délce pohltí, to se max. může zase vyzářit. Běžně nemají spektrálně selektivní tělesa ani 100% pohltivost, ani 100% odrazivost. pohltivost + odrazivost = 1 (pro záření nepropouštějící tělesa) pro danou vlnovou délku záření platí: pohltivost = emisivita 32

33 Rozlišujeme několik neskutečných těles: absolutně černá tělesa: = 1, = 0 pro všechny vlnové délky (100 % pohltivost a nulová odrazivost) absolutně bílá tělesa: = 0, = 1 pro všechny vlnové délky (0 % pohltivost a 100 % odrazivost) šedá tělesa 0 < = < 1, = 1 pro všechny vlnové délky nemá 100 % pohltivost ani odrazivost, ale platí, že pro všechny vlnové délky má stejnou hodnotu selektivní tělesa 0 < < 1, = 1 Pro naprostou většinu těles v přírodě obecně platí, že pohltivost je někde mezi 0 až 100%, ale neplatí, že by byla pro všechny vlnové délky stejná. Toho využíváme i v kolektorech. Máme tzv. selektivní absorbéry, které mají vysokou odrazivost v oblasti infračerveného záření (v oblasti běžných teplot), tudíž nízkou pohltivost, tudíž nízkou emisivitu. A v oblasti slunečního záření mají nízkou odrazivost, tudíž vysokou pohltivost, tudíž i vysokou emisivitu. Selektivní povlak způsobí, že získám vysokou pohltivost v oblasti slunečního záření a nízkou pohltivost, tudíž emisivitu v oblasti infračerveného záření. Otázkou je např. zda se nám ohřeje dříve černý nebo bílý sud s vodou a který z nich dříve vychladne. Nelze vyvodit jednoznačný závěr. Co má větší emisivitu v oblasti běžných teplot, černá nebo bílá? I bílé těleso může mít vysokou emisivitu. V oblasti infračerveného záření nám nezávisí emisivita na barvě, to je jenom v oblasti viditelného záření. Můžeme mít černý absorbér, který má nízkou emisivitu a bílé těleso, které má vysokou emisivitu. 33

34 Obr. 3.8 Závislost odrazivosti na vlnové délce u absorbéru se selektivním povrchem Obr. 3.8 ukazuje nízkou odrazivost v oblasti slunečního záření a vysoká odrazivost v oblasti infračerveného záření. Pokud se podíváme na charakteristiky absorbérů, tak už neříkají pohltivost v oblasti slunečního záření a emisivita v oblasti infračerveného záření. Charakteristiky zmiňují pojmy pohltivost a emisivita, je třeba si však uvědomit, že jsme v jiných vlnových délkách. Selektivní povrchy lze dělit na: Galvanické - vytvoření struktury je elektrochemickou cestou, tyčinky na velmi odrazivém materiálu (substrátu), a = 0,93 0,96, e = 0,10 0,16 Keramicko-kovové (ceramic-metal: cermet) - naprašováním, PVD proces, velmi kvalitní povrchy, a = 0,95, e = 0,05 Nátěry - výrazně horší vlastnosti, a = 0,92, e = 0,85 34

35 Charakteristiky solárních kolektorů Energetická bilance solárního kolektoru Na solární kolektor dopadá sluneční záření, které je z části odraženo od zasklení a kolektoru a z části pohlceno na absorbéru. Část tepla z pohlceného záření je odváděno teplonosnou kapalinou, zbytek pak považujeme za ztrátu (tepelné ztráty do okolního prostředí a akumulace ve hmotě kolektoru). Energetickou bilanci solárního kolektoru lze popsat pro případ ustáleného stavu následující rovnicí: dq Q dt s Q z,o Q z,t Q k obecný zápis energetické bilance solárního kolektoru Q Q k s Q z,o Q z,t ustálené podmínky dq/dt = 0 Q s dopadající výkon sl. záření [W] Q s = G.A k G dopadající sluneční ozáření W/m 2 A k plocha kolektoru Q z,o optické ztráty [W] Q z,o = Q s - Q s Q z,t tepelné ztráty [W] Q z,t = U.A k (t abs t e ) U součinitel prostupu tepla [W/m 2.K] t abs teplota absorbéru [ C] t e teplota okolí [ C] Q k tepelný výkon kolektoru [W] Q k = Mc(t k2 t k1 ) M hmotnostní průtok teplonosné látky [kg/s] t k2 teplota na výstupu z absorbéru [ C] c měrná tepelná kapacita [J/kg.K] t k1 teplota na vstupu do absorbéru [ C] 35

36 Obr. 3.9 Tepelné ztráty solárního kolektoru Vztah pro výpočet tepelných ztrát solárního kolektoru: Q z,t UpAk( tabs t e ) UzAk ( tabs te ) UbAb ( tabs te ) UAk ( tabs te ) Obr Tepelné ztráty kolektoru v detailu 36

37 Výkon a účinnost solárního kolektoru výkon kolektoru: Q k GA UA ( t te ) abs účinnost vztažená ke střední teplotě absorbéru: Q Q k s Q k GA ( t abs t e ) U G k k GAk UA GA k k t abs t k e Účinnost solárního kolektoru je za ustálených podmínek definovaná jako poměr výkonu odváděného z kolektoru k příkonu slunečního záření dopadajícího na kolektor. Účinnost solárního kolektoru U t abs G t e... propustnost slunečního záření zasklení [-]... pohltivost slunečního záření absorbéru [-] 2 U... součinitel prostupu tepla kolektoru [W/m.K] t abs... střední teplota absorbéru [ C] t e... teplota okolí [ C] Vyjádření účinnosti solárního kolektoru v závislosti na střední teplotě povrchu absorbéru je problematická, protože tuto teplotu většinou neznáme a pro její změření by bylo třeba odmontovat zasklení. Účinnost kolektoru není jedna konstanta, ale je to vždy křivka, která ukazuje účinnost od maxima do nuly v závislosti na rozdílu teplot a slunečního ozáření. Graficky je rovnice účinnosti solárního kolektoru znázorněna na obr

38 Obr Závislost účinnosti solárního kolektoru na středním redukovaném teplotním spádu mezi povrchem absorbéru a okolím To co nás bude zajímat je převod uvedené rovnice pro účinnost solárního kolektoru tak, aby se nám tam objevila střední teplota teplonosné kapaliny v kolektoru, kterou lze změřit (průměr z teploty na vstupu a výstupu teplonosné kapaliny u kolektoru). F' U t m t G e F... účinnostní součinitel kolektoru závisí na geometrii a tepelných vlastnostech absorbéru > 0.90 je závislý na schopnosti absorbéru přenést teplo ze svého povrchu do teplonosné kapaliny. Je závislý na tom, jak je vodivý absorbér (jestli je z plastu nebo z kovu) a jaký je převod tepla mezi absorbérem a trubkou. t m... střední teplota teplonosné kapaliny v kolektoru t m = (t k1 +t k2 )/2 38

39 Obr Přenos tepla z povrchu absorbéru Účinnostní součinitel kolektoru F závisí na: geometrických vlastnostech absorbéru: rozteč trubek, průměr trubek, tloušťka spoje trubka-absorbér, tloušťka absorbéru (pokud zvětšíme rozteč trubek, tak musíme zvětšit i tloušťku absorbéru) fyzikálních vlastnostech absorbéru: tepelná vodivost absorbéru, tepelná vodivost spoje trubka-absorbér proudění uvnitř trubek: přestup tepla ze stěny trubky do kapaliny celkovém součiniteli prostupu tepla kolektoru U Z účinnostního součinitele solárního kolektoru lze stanovit zásady pro návrh konstrukce absorbéru a kolektoru. 39

40 [-] [-] České Budějovice 2012 Vliv materiálu a geometrie absorbéru na účinnost Pokud máme stejné zasklení, stejnou izolaci, jenom materiál absorbéru se liší, pak rozdíl v účinnosti mezi mědí a hliníkem je minimální. Pokud použijeme ocel, pak účinnost poklesne až o 15 % (viz graf nalevo). To samé, máme úplně stejný kolektor ze stejného materiálu, jenom měníme rozteče (viz graf napravo). Obr Vliv tloušťky absorbéru (vlevo) a rozteče trubek (vpravo) na účinnost kolektoru 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 0,4 0,4 0,2 0,2 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t e )/G [m 2.K/W] 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t e )/G [m 2.K/W] Často používaným materiálem pro výrobu absorbéru je měď nebo hliník. Z obr je zřejmé, že mezi jejich účinností je zanedbatelný rozdíl. U ocelových absorbérů dochází k výraznému poklesu celkové účinnosti. Plastové absorbéry tepelná vodivost plastů: 0,2 W/(m.K); pro srovnání - měď: 390 W/(m.K) pro zajištění dostatečného přenosu tepla je třeba navrhnout: velmi malé rozteče trubek (řádově mm) silné stěny (několik mm) 40

41 Obr Konstrukční řešení plastových absorbérů (vlevo) a umístění na střeše (vpravo) Vliv spoje na účinnost Spoje mezi trubkovým registrem a absorbérem se nejčastěji používají svařované nebo lisované. Spoj musí splňovat základní podmínku, aby měl vysokou tepelnou propustnost. Svařované i lisované spoje mají podobnou účinnost, zatímco spoj řešený pouhým zaklapnutím (obr. 3.15) nebo přiložením trubkového registru k absorbéru (obr. 3.16) způsobuje horší přenos tepla z povrchu absorbéru do teplonosné kapaliny. Obr Naklapnutý absorbér na trubkový registr (dotek trubky s absorbérem je jen ve třech místech) Obr Přiložený absorbér na trubkový registr 41

42 Obr Účinnosti pro jednotlivé typy spojů absorbéru s trubkovým registrem Trubkové Sydney kolektory lamela U trubkových Sydney kolektorů je nejvíce patrná problematika vlivu spoje na účinnost, protože k tomu, aby došlo k přenosu tepla z povrchu skleněné trubky do teplonosné kapaliny, je na cestě spousta odporů. I jinak kvalitní trubice mohou být degradovány nevhodným provedením spoje. Účinnost tepla závisí především na provedení vodivé teplosměnné lamely a jejím kontaktu s vnitřním povrchem skleněné absorpční trubky a vnějším povrchem měděné trubky. Odvod tepla z absorpční trubky je charakterizován účinnostním součinitelem F. Z výroby jsou dány hodnoty,,u(propustnost krycí trubky; pohltivostí absorpční trubky; součinitelem prostupu tepla). Kontaktní lamela by měla být krátká, vodivá, silná a s velmi těsným kontaktem. Vliv kontaktní lamely na účinnost je znázorněna na obr Jednotlivé typy provedení teplosměnné lamely jsou na obr Obr Znázornění přenosu tepla z absorbéru do teplonosné látky u trubkového Sydney kolektoru tm te F' Obr U Vliv kontaktní lamely G na účinnost (PP) 42

43 Obr Vakuové Sydney kolektory s přímo protékaným (PP) U-registrem; G > 700 W/m 2 Kontaktní lamela je zásadním prvkem Sydney kolektoru. Nejlepším řešením je varianta vlevo nahoře. Ostatní varianty mají nižší účinnost díky špatně provedené kontaktní lamele, případně její úplné absenci. 43

44 Kapitola 4: Zkoušení solárních kolektorů Klíčové pojmy: Výkonové zkoušky, tepelný výkon, křivka účinnosti, modifikátor úhlu dopadu, IAM, hrubá plocha, plocha apertury, plocha absorbéru, stagnační teplota Cíle kapitoly: - znát požadavky na zkoušení solárních kolektorů dle ČSN EN a 2, - znát charakteristiky solárních kolektorů (účinnost, výkon, vztažná plocha, optická charakteristika, modifikátor úhlu dopadu atd.). Výklad: Zkoušení solárních kolektorů (podle EN) Vždy je dobré mít protokol o zkoušce výkonu solárního kolektoru, i když to není pro výrobce povinné. Pro solární tepelné kolektory (ploché i trubkové) platí dvě normy ČSN EN ,2. V části 1 jsou zmíněny všeobecné požadavky (požadavky na odolnost, spolehlivost a bezpečnost). V části 2 jsou uvedeny zkušební metody a podmínky, za kterých jsou solární kolektory zkoušeny. Zkoušky výkonové tepelný výkon a účinnost kolektoru (určení 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 44

45 Stanovení výkonu a účinnosti Zkouška je v podstatě velmi jednoduchá. Měří se průtok kolektorem a teplota teplonosné kapaliny na vstupu a výstupu z kolektoru. To je vztaženo ke změřenému slunečnímu ozáření, které dopadá na kolektor. Z následující bilance se vypočítá výkon kolektoru: výkon Q ( ) k M c tk2 tk1 Q k účinnost G A k Obr. 4.1 Měřené parametry u solárních kolektorů Obr. 4.2 Proložení zjištěných bodů účinnosti kolektoru 45

46 Účinnost solárního kolektoru (měření) naměřenými hodnotami účinnosti se proloží regresní parabola y = a + bx + cx 2 2 tm te tm te 0 a1 a2 G G G 0 a 1 optická účinnost [-], správně: účinnost při nulové tepelné ztrátě (účinnost solárního kolektoru při nulovém teplotním spádu mezi střední teplotou teplonosné kapaliny t m a okolím t e ) 2 součinitel tepelné ztráty kolektoru (lineární) [W/(m.K)] a 2 součinitel tepelné ztráty kolektoru (kvadratický) [W/(m 2.K 2 )] (t m - t e )/G střední redukovaný teplotní spád mezi kapalinou a okolím [m 2.K/W] Hodnoty 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 EN Vždy musí být jasně určena vztažná plocha (absorbéru, apertury). Křivka účinnosti solárních kolektorů je nezbytná pro navrhování a hodnocení solárních soustav. Výkon solárního kolektoru Výkon solárního kolektoru velmi závisí na klimatických a provozních podmínkách a je třeba definovat okrajové podmínky, za kterých byl výkon měřen. Výkon solárního kolektoru (kolmý dopad, jasná obloha) Q k A [ G 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) platí pro zasklené kolektory: G = 1000 W/m 2 t e = 20 C t m = 50 C maximální (špičkový) výkon kolektoru (bez tepelných ztrát) Q A G k k 0 G = 1000 W/m 2 46

47 Q k [W] České Budějovice 2012 Obr. 4.3 Křivka tepelného výkonu solárních kolektorů (ploché, trubkové s plochým absorbérem, trubkové s válcovým absorbérem) plochý trubkový s plochým absorbérem trubkový s válcovým absorbérem G = 1000 W/m t m - t e [K] Výkon solárního kolektoru je křivka, obdobně jako účinnost kolektoru, bereme to však pouze v závislosti na rozdílu střední teploty a teploty okolí. Výkon i účinnost kolektoru je vždy závislá na vztažné ploše solárního kolektoru. Vztažná plocha solárního kolektoru A k Obr. 4.4 Schéma definující hrubou plochu a plochu apertury plochého solárního kolektoru 47

48 hrubá plocha: A G (plocha, kterou solární kolektor zabírá na střeše) České Budějovice 2012 plocha apertury: A a (plocha zasklení plochého kolektoru, kterou sluneční záření nesoustředěně vstupuje do kolektoru; veškeré koeficienty a výpočty se vztahují k ploše apertury) plocha absorbéru: A A (plocha absorbéru, která může být menší než plocha apertury) Obr. 4.5 Schéma definující plochy apertury a absorbéru solárních kolektorů (vlevo: trubkový s plochým absorbérem; uprostřed: trubkový s válcovým absorbérem; vpravo: trubkový s válcovým absorbérem a reflektorem) Levé schéma Vztažná plocha u trubkových kolektorů s plochým absorbérem. U kolektoru s jednosměnnou trubkou je plocha absorbéru přímo plocha lamely, ale plocha apertury je průmět skleněné trubky do vztažné roviny kolektoru. Prostřední schéma U trubkového kolektoru Sydney bez reflektoru (nekoncentrační) je plocha absorbéru průmět vnitřní trubky a plocha apertury průmět vnější trubky do vztažné roviny kolektoru. Pravé schéma Sydney kolektor s reflektorem (koncentrační) plocha absorbéru je povrch celého absorpčního válce absorpční trubky kolektoru a plocha apertury je průmět reflektoru do vztažné roviny kolektoru. 48

49 Vztahy mezi dvojím vyjádřením: Plochý kolektor Plocha apertury (činná plocha) je o cca 10% menší než plocha hrubá. Trubkový kolektor s plochým absorbérem Plocha apertury (činná plocha) je o cca 25% menší než plocha hrubá. Trubkové kolektory s válcovým absorbérem Sydney Mají velkou rozteč trubek, nemají reflektor. Plocha apertury (činná plocha) je o cca 40% menší než plocha hrubá. I když mají např. vyšší účinnost vztaženou k hrubé ploše, tak k ploše apertury je už nižší. Mají např. o % vyšší výkon, ale zabírají více místa na střeše. Trubkový kolektor s válcovým absorbérem a reflektorem Plocha apertury (činná plocha) je o cca 20% menší než plocha hrubá. Obr. 4.6 Plocha apertury a obrysová plocha solárních kolektorů (zleva: plochý kolektor, trubkový kolektor s plochým absorbérem, trubkový kolektor s válcovým absorbérem, trubkový kolektor s válcovým absorbérem a reflektorem) Vztažení křivky účinnosti k: ploše apertury kolektoru: je vhodné z hlediska porovnání vlastností kolektorů, konstrukcí a kvality provedení obrysové ploše: je vhodné z hlediska rozhodování o potenciálu kolektoru pro danou aplikaci 49

50 Účinnost solárního kolektoru (A a A G ) vztažena k ploše apertury a k hrubé ploše. U plochého kolektoru je rozdíl velmi malý. U trubkového kolektoru s plochým a válcovým absorbérem je už mnohem větší. Obr. 4.7 Porovnání křivek účinnosti 3 druhů solárních kolektorů vztažených k ploše apertury (tučně) a k obrysové ploše (tence) 1,0 plochý 0,8 trubkový s plochým absorbérem trubkový s válcovým absorbérem 0,6 [-] 0,4 0,2 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t e )/G [m 2.K/W] Uvádění účinnosti solárního kolektoru Účinnost kolektoru je charakterizována křivkou ve tvaru paraboly. Nelze uvést pouze jednu hodnotu účinnosti solárního kolektoru bez zmínky, za jakých podmínek byla stanovena (teplota teplonosné kapaliny, teplota venkovního vzduchu, sluneční ozáření). Extrémní (maximální) hodnotou účinnosti je tzv. účinnost při nulových tepelných ztrátách 0, která je stanovena za podmínky, že je střední teplota teplonosné kapaliny v kolektoru t m rovna teplotě okolí t e nedochází k tepelné výměně mezi kolektorem a okolím. Tento stav je však téměř nereálný a dochází k poklesu této účinnosti díky nízké propustnosti zasklení, nekvalitnímu povrchu absorbéru, málo vodivému absorbéru atd. Druhou extrémní (minimální) hodnotou účinnosti je tzv. bod stagnace. Kolektor má účinnost a výkon roven nule, to znamená, že energie pohlcená absorbérem má stejnou hodnotu jako tepelné ztráty. Pro porovnání kvality solárních kolektorů je stanovena účinnost pro střední redukovaný teplotní spád 0,05 m 2.K/W (hodnota účinnosti 0,05 ). 50

51 Obr. 4.8 Účinnost kolektoru včetně znázornění účinnosti při nulové tepelné ztrátě a bodu stagnace Stagnační teplota je maximální teplota, které můžeme v kolektoru dosáhnout, pokud nebudeme odebírat z kolektoru teplo a budou zajištěny smluvené podmínky (t e = 30 C, G = 1000 W/m 2 ). tm te 0 a1 a2 G smluvní podmínky: t e = 30 C, G = 1000 W/m 2 t t 2 m G e = 0 t stg t m t G e 0 tm te G 2 a1 a1 4a2 G 0 0 2a G 2 Tab. 4.1 Typické stagnační teploty 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

52 Křivka účinnosti = f (t m t e ) je vztažena k rozdílu teploty kolektoru a venkovní teploty a je redukovaná slunečním zářením. Z křivky je vidět, jak se chová kolektor při nízkém a vysokém ozáření. Obr. 4.9 Závislost účinnosti solárního kolektoru na rozdílu teplot v závislosti na hodnotách slunečního ozáření Solární kolektory aplikace Porovnání křivek účinnosti různých druhů solárních kolektorů mezi sebou při slunečním ozáření 800 W/m 2 nám ukazuje, kam budeme používat např. nezasklený kolektor (bazénové aplikace), plochý a trubkový kolektor (TV a přitápění), trubkový vakuový kolektor (technologické teplo). Obr Křivky účinnosti běžných druhů solárních kolektorů 52

53 Solární kolektory - aplikace nízkoteplotní (< 40 C) ohřev bazénové vody (nezasklené rohože, neselektivní kolektory), sušení plodin (vzduchové) středněteplotní (< 90 C) příprava teplé vody + přitápění (ploché kolektory s jedním zasklením a selektivním absorbérem, vakuové trubkové kolektory) vysokoteplotní (> 90 C) technologické teplo (vakuové kolektory, vícenásobná zasklení, koncentrační kolektory) Modifikátor úhlu dopadu (K, IAM) Křivka účinnosti platí pro kolmý úhel dopadu = 0. Během roku však úhel dopadu není konstantní 0. Výkon kolektoru a jeho účinnost závisí na úhlu dopadu slunečního záření, které se projeví v hodnotě 0 ( ) t ( ) a 0 1 m t G e a 2 ( t m te) G 2 Propustnost slunečního záření u zasklení kolektoru, pohltivost absorpčního povrchu, odrazivost reflektoru jsou parametry závislé na úhlu dopadu slunečního záření, proto je třeba mít křivku účinnosti, která bere v potaz změnu optické účinnosti kolektoru při jiném než kolmém úhlu dopadu. Tuto závislost vyjadřuje křivka modifikátoru úhlu dopadu (IAM). Incidence angle modifier (IAM) vyjadřuje vliv úhlu dopadu slunečního záření na účinnost kolektoru K Kde: 0( ) (0) 0 η 0 (θ) je optická účinnost při obecném úhlu dopadu η 0 (0 ) je optická účinnost při kolmém úhlu dopadu 53

54 Osově symetrické kolektory: K () Osově nesymetrické kolektory: K () = K L ( L ) K T ( T ) Optické charakteristiky kolektoru K = K,L ( L ). K,T ( T ) Obr Geometrie trubkového kolektoru a úhlu dopadu slunečního záření vzhledem k příčné a podélné rovině U trubkových vakuových solárních kolektorů se stanovuje hodnota modifikátoru v příčné rovině. V podélné rovině má křivka modifikátoru trubkového kolektoru stejný tvar jako u plochých kolektorů. Obr ukazuje průběh křivky modifikátoru úhlu dopadu pro plochý kolektor a trubkový solární kolektor s plochým absorbérem. Obr ukazuje tvar charakteristik modifikátoru úhlu dopadu pro trubkové kolektory s válcovým absorbérem bez reflektoru a s reflektorem. 54

55 Obr Tvar charakteristik modifikátoru úhlu dopadu pro ploché kolektory (vlevo) a trubkové kolektory s plochým absorbérem (vpravo) Obr Tvar charakteristik modifikátoru úhlu dopadu pro trubkové kolektory s válcovým absorbérem bez reflektoru (vlevo) a s reflektorem (vpravo) Je dobré si uvědomit, že optická charakteristika je vždy svázaná s hodnotou 0. Obvykle čím lepší (vyšší) je optická charakteristika, tím horší má kolektor hodnotu 0. Optická charakteristika je velmi důležitá v momentě, kdy porovnáváme plochý kolektor s trubkovým kolektorem, což nelze provést jen přes účinnosti, protože v momentě, kdy trubkový kolektor odpoledne získává mnohem více energie (kolektor dopoledne, v poledne a odpoledne si drží vysoký výkon), tak plochý kolektor má výkon dopoledne relativně malý, v poledne vysoký a odpoledne zase nízký. 55

56 Výkon kolektoru v reálných podmínkách: ze zkoušky tepelného výkonu podle EN : křivka účinnosti tm te 0 a1 G ( tm te) a2 G 2 Obr Křivka účinnosti ze zkoušky modifikátoru podle EN : křivka modifikátoru K θ,b 0 ( ) (0) 0 / 2 K K ( ) sin d θ, d 2 0 Obr Křivka modifikátoru výkon kolektoru pro obecné podmínky (přímé, difúzní záření) Q A [ k a 0 2 K G K G a ( t t ) a ( t t ) ] θ,b b,t θ,d d,t 1 m e 2 m e 56