Vliv konstrukce solárního kolektoru na jeho účinnost. Tomáš Matuška Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní ČVUT v Praze

Transkript

1 Vliv konstrukce solárního kolektoru na jeho účinnost Tomáš Matuška Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní ČVUT v Praze

2 Solárníkolektory Typy a konstrukční uspořádání plochésolárníkolektory trubkovésolární kolektory (Dornier, Sydney) Zkoumané vlivy tloušťka tepelné izolace emisivita absorbéru šířka lamely absorbéru tepelnápropustnost přechodu absorbér-trubka

3 Modelovánísolárních kolektorů Model a program KOLEKTOR 2.2 pro modelování plochých kolektorů Vstupy: detailníparametry jednotlivých částí solárního kolektoru geometrie (rozměry), termofyzikální vlastnosti (materiály), optické vlastnosti klimatické podmínky: venkovníteplota, slunečníozáření, rychlost větru provoznípodmínky: vstupníteplota kapaliny t in, hmotnostníprůtok m, sklon kolektoru b Výstupy: využitelný zisk Q u účinnost h (na základě plochy apertury A a nebo hrubéplochy A G ) výstupní teplota kapaliny t e

4 Princip výpočtu vnější bilance absorbéru přenos tepla z povrchu absorbéru do okolního prostředí rozložení teplot v hlavních rovinách kolektoru (uzly p, z, b) celkový součinitel prostupu tepla kolektoru U vnitřní bilance absorbéru přenos tepla z povrchu absorbéru do kapaliny účinnostní součinitel kolektoru F Q& u = AaFR [ ταg U( tin ta )] tepelný přenosový součinitel kolektoru F R teplota absorbéru t abs ; teplota na výstupu t e ; tepelný tok Q u

5 Vnějšíenergetická bilance absorbéru výpočet součinitelů přestupu tepla na základě teplot v hlavních rovinách (uzlech) iterační cyklus pro stanovení rozložení teplot v kolektoru počáteční teplota absorbéru je odhadnuta z hodnoty vstupní teploty (t abs = t in + 10 K)

6 Vnitřníenergetická bilance absorbéru přenos tepla vedením lamelou, vedením spojem a nucenou konvekcí v trubkách iterační cyklus ke stanovení střední teploty teplonosné kapaliny t m počáteční hodnota střední teploty teplonosné kapaliny je odhadnuta ze vstupní teploty (t m = t in + 10 K)

7 Software KOLEKTOR 2.2 matematický model v podobě programu ve Visual Basic Studiu široký rozsah použití v oblasti plochých kolektorů vakuové, atmosférické, různékapaliny, integrace do obálky budovy vhodný pro analýzy virtuálních prototypů instalačnísoubory 400 kb (zazipovaný) instalace předpokládá Microsoft.NET Framework anglickáverze volně dostupný

8 Zkoušenísolárních kolektorů Solární laboratoř (Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, ČVUT v Praze) zkoušenísolárních kolektorů podle normy ČSN EN :2005 měření tlakových ztrát solárních kolektorů určení modifikátoru úhlu dopadu určení účinné tepelnékapacity kolektoru výpočet ročního energetického zisku kolektoru pro přípravu TV a přitápění odolnost proti vysokým teplotám - ČSN EN odst. 5.3 vystavenívnějším vlivům - ČSN EN odst. 5.4 vyhotoveníprotokolu o zkoušce pro certifikační orgán

9 Solárnílaboratoř

10 Vliv tloušťky izolace zasklení propustnost 92 % selektivní povrch pohltivost 95 % emisivita 5 % měděný absorbér, W = 100 mm vzduchová mezera 20 / 20 mm zvolit 20 nebo 50 mm??? h [-] 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)/g [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

11 Emisivita absorbéru zasklení propustnost 92 % tepelná izolace tloušťka 30 mm měděný absorbér, W = 100 mm vzduchová mezera 20 / 20 mm h [-] 1,0 0,8 0,6 0,4 emisivita 5 % emisivita 10 % emisivita 90 % vliv emisivity absorbéru??? 0,2 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t a )/G [m 2.K/W] příprava teplé vody: 5 m 2 ; 200 l/den 10 až 55 C; zásobník 300 l; t max = 85 C 5 %: solární podíl f = 57 % měrné využitelné zisky q ku = 435 kwh/m 2 90 %: solární podíl f = 52 % měrné využitelné zisky q ku = 398kWh/m 2-10 % 10 %: solární podíl f = 57 % měrné využitelné zisky q ku = 432 kwh/m 2 < 1%

12 Šířka a vodivost lamely absorbéru 1,0 1,0 0,8 W = 100 mm W = 50 mm 0,8 měď (Cu) hliník (Al) h [-] 0,6 0,4 h [-] 0,6 0,4 ocel (Fe) 0,2 0,0 měděný absorbér D e = 5 mm 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t a )/G [m 2.K/W] 0,2 0,0 šířka lamely 100 mm D e = 5 mm 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t a )/G [m 2.K/W] rozteč trubek (šířka lamely): W (Cu) = 100 mm ~ W (Fe) = 55 mm W (Cu) = 100 mm ~ W (plast) = 8 mm 3 mm plast

13 Tepelná vodivost spoje absorbér-trubka 1,0 0,8 300 W/m.K 30 W/m.K 3 W/m.K 1,0 0,8 naklapnutý absorbér přiložený absorbér svařovaný absorbér h [-] 0,6 0,4 h [-] 0,6 0,4 0,2 0,2 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t a )/G [m 2.K/W] 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t a )/G [m 2.K/W]

14 Účinnostnísoučinitel kolektoru ( ) = G t t U F e m α τ η ' = i k s e e D h C F D W D U W U F π 1 1 ] ) ( [ 1 1/ ' λδ U m = 2 ) / ( 2] ) / ( tanh[ e e D m W D m W F = absorbér-teplonosnálátka: vedení lamelou R v,l vedeníspojem R v,s přestup nucenou konvekcí R k,i

15 Vakuové trubkovésydney kolektory Dvojstěnná vakuová trubka s válcovým absorbérem(sydney, Dewar) dvoustěnnákoncentrická uzavřená skleněná trubka absorpční (vnitřní) trubka krycí (vnější) trubka meziprostor je vakuován vnějšípovrch vnitřnítrubky je nanesena absorpční vrstva vnitřní povrch vnitřní trubky vodiválamela pro odvod tepla

16 zdroj: OPC Vakuové trubkovésydney kolektory

17 Vliv kontaktnílamely na účinnost(pp) trubkový kolektor dáno Sydney trubkou η = F' τ α U ( t t ) m G e kontaktní lamela: krátká, vodivá, silná spoj: vodivý; absorpčnítrubka-lamela, lamela-potrubníregistr (U) odvod tepla z kolektoru: turbulentníproudění v registru (U)

18 Vliv kontaktnílamely na účinnost(pp) Vakuové Sydney kolektory s přímo protékaným (PP) U-registrem G > 700 W/m 2 kontaktní lamela je zásadním prvkem Sydney kolektoru

19 Vliv tepelných kontaktů na účinnost(tt) Tepelná trubice (změna skupenství pracovní látky, vysoké přestupy tepla) výparník (s kontaktnílamelou dotýkajícíse absorpčnískleněné trubky) kondenzátor (uložen v pouzdru)

20 Vliv tepelných kontaktů na účinnost(tt)

21 Vztažná plocha trubkových kolektorů Norma pro zkoušeníkolektorů (*)vztahuje účinnost kolektoru k: ploše apertury A a ploše absorbéru A A ploše obrysové (hrubé) A G vhodné: z hlediska porovnánívlastnostíkolektoru, konstrukce, provedení nevhodné: z hlediska rozhodovánío potenciálu kolektoru pro danou aplikaci pro porovnání kolektorů s různými účinnými plochami (*) ČSN EN :2006 Tepelnésolárnísoustavy a součásti Solární kolektory Část 2: Zkušebnímetody

22 Účinnost x vztažná plocha změna křivky účinnosti η (A a ) η (A G ) teoretický aplikačnípotenciál vakuových trubkových Sydney kolektorů: procesnía technologické teplo solárníchlazení

23 Děkuji za pozornost Téma je řešeno v rámci řešení výzkumného záměru MSM TECHNIKA PROSTŘEDÍ