1/61 Solární kolektory

Transkript

1 1/61 Solární kolektory typy části kolektoru účinnost

2 Fototermální přeměna 2/61 jímací plocha (obecně kolektor) plocha, na které se sluneční záření pohlcuje a mění na teplo (kolektor zasklení, absorbér) akumulátor (zásobník tepla) uchování solárních zisků pro využití (akumulační zásobník, stěna, hmota v prostoru,...) spotřebič příprava teplé vody, vytápění, chlazení, prostor

3 Solární kolektor 3/61 Transparentní kryt - zasklení Absorbér Sběrná trubka pro odvod tepla Tepelná izolace Trubky s teplonosnou látkou Rám kolektoru

4 Solární kolektory - princip 4/61 Odraz na zasklení Odraz na absorbéru Tepelná ztráta zasklením Odvod tepla teplonosnou látkou pro využití Dopadající sluneční záření Tepelné ztráty zadními a bočními stěnami

5 Solární kolektory - rozdělení 5/61

6 Vzduchové solární kolektory 6/61 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

7 Vzduchové solární kolektory 7/61 Zasklení Izolace Přírubový rám Žebrový absorbér Vana

8 Vzduchové solární kolektory 8/61 integrace do střešního pláště

9 Vzduchové solární kolektory 9/61

10 Kapalinové solární kolektory 10/61 teplonosnou látkou je kapalina (voda, nemrznoucí směs, olej, atd.) energie pohlcená na povrchu absorbéru je odváděna teplonosnou látkou proudící uvnitř trubek absorbéru

11 Nekryté solární kolektory 11/61 teplotní hladiny do 40 C vhodné pro sezónní aplikace, ohřev bazénové vody výrazně závislé na okolních podmínkách (teplota, proudění vzduchu)

12 Ploché kryté solární kolektory 12/61

13 Ploché kryté solární kolektory 13/61 1 rám 2 těsnění 3 transparentní kryt 4 tepelná izolace 5 absorbér 6 trubkový registr

14 Ploché solární kolektory 14/61 výhodné z hlediska integrace do obálky budovy střecha fasáda

15 Ploché vakuové solární kolektory 15/61 podtlak pro omezení tepelných ztrát (absolutní tlak 1 až 10 kpa) zatížení plochého krycího skla (opěrky) sálání zadní strany absorbéru je nutné stínit

16 Vakuové trubkové solární kolektory 16/61 jednostěnná vakuová trubka plochý absorbér dvojstěnná vakuová trubka (Sydney) válcový absorbér vakuum 1 mpa

17 Vakuové trubkové solární kolektory 17/61 Jednostěnná vakuová trubka s plochým absorbérem přímo protékaný registr (PP) velmi kvalitní přestup tepla z absorbéru do kapaliny

18 Vakuové trubkové solární kolektory 18/61 Jednostěnná vakuová trubka s plochým absorbérem tepelná trubice (TT) velmi kvalitní přestup tepla z absorbéru na výparník tepelné trubice

19 Vakuové trubkové solární kolektory 19/61 zdroj: Viessmann

20 Vakuové trubkové solární kolektory 20/61 Dvojstěnná vakuová Sydney trubka s válcovým absorbérem přímo protékaný registr (s kontaktní lamelou), PP nezbytná tepelně vodivá teplosměnná lamela mezi absorbérem a trubkovým registrem

21 Vakuové trubkové solární kolektory 21/61 Dvojstěnná vakuová Sydney trubka s válcovým absorbérem tepelná trubice (s kontaktní lamelou), TT nezbytná tepelně vodivá teplosměnná lamela mezi absorbérem a trubkovým registrem

22 Vakuové trubkové Sydney kolektory 22/61 kontaktní lamela napojení PP potrubí Sydney trubky reflektor zdroj: OPC

23 Vakuové trubkové Sydney kolektory 23/61

24 Vakuové trubkové solární kolektory 24/61 barium pro pohlcení plynů změna barvy

25 Vakuové trubkové solární kolektory 25/61 vakuová izolace = sníh či námraza odtává velmi pomalu akumulace sněhu: problematické použití reflektoru, šikmá střecha

26 Ploché solární kolektory x odtávání 26/61 tepelné ztráty umožňují provoz i v době zvýšené sněhové pokrývky

27 Trubkové kolektory - tepelná trubice (TT) 27/61 odvod tepla do teplonosné kapaliny sluneční energie pohlcená absorbérem vypařovací část kondenzační část teplo přijaté výparníkem tepelné trubice

28 Trubkové kolektory - tepelná trubice (TT) 28/61 suché napojení tepelné trubice zdroj: Viessmann kondenzátor uložen v pouzdru pouzdro omývané teplonosnou látkou

29 Trubkové kolektory - tepelná trubice (TT) 29/61 mokré napojení tepelné trubice kondenzátor tepelné trubice přímo omývaný teplonosnou látkou

30 Trubkové solární kolektory s reflektorem 30/61 zrcadlový odraz difúzní odraz trvanlivost optické kvality odrazného plechu zachycování a kumulace sněhu (ledu), poničení trubek zvýšení aktivní plochy kolektoru (apertury)

31 Solární kolektory - princip 31/61 Odraz na zasklení Odraz na absorbéru Tepelná ztráta zasklením Odvod tepla teplonosnou látkou pro využití Dopadající sluneční záření Tepelné ztráty zadními a bočními stěnami

32 Zasklení solárního kolektoru 32/61 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

33 Absorbér solárního kolektoru 33/61 teorie záření, radiační vlastnosti těles pohltivost a + odrazivost r = 1 (pro záření nepropouštějící tělesa) pro danou vlnovou délku záření l platí: pohltivost a l = emisivita e l absolutně černá tělesa: a = 1, r = 0 absolutně bílá tělesa: a = 0, r = 1 šedá tělesa 0 < a = a l < 1, r = 1 a pro všechny vlnové délky pro všechny vlnové délky pro všechny vlnové délky selektivní tělesa 0 < a l < 1, r l = 1 a l a SOL e IR

34 Selektivita povrchu absorbéru 34/61 ideálně r = 1, a = e = 0 oblast vlnových délek slunečního záření oblast vlnových délek infračerveného záření ideálně r = 0, e = a = 1

35 Energetická bilance solárního kolektoru 35/61 dq dt Q s Q z, o Q z, t Q k obecný zápis Q k Q Q Q ustálené podmínky dq/dt = 0 s z, o z, t Q s dopadající výkon sl. záření Q s = G.A k Q z,o optické ztráty Q z,o = Q s - Q s ta Q z,t tepelné ztráty Q z,t = U.A k (t abs t e ) Q k tepelný výkon kolektoru Q k = Mc(t k2 t k1 )

36 Výkon a účinnost solárního kolektoru 36/61 výkon kolektoru: Q k GA ta UA k k ( t t e ) abs účinnost vztažená ke střední teplotě absorbéru: Q Q k s Q k GA k GA ta UA k GA k k t abs t e ta U ( t te ) abs G

37 Účinnost solárního kolektoru 37/61 ta U t abs G t e t... propustnost slunečního záření zasklení [-] a... pohltivost slunečního záření absorbéru [-] U... součinitel prostupu tepla kolektoru [W/m 2.K] t abs... střední teplota absorbéru [ C] t e... teplota okolí [ C]

38 Účinnost solárního kolektoru 38/61 ~ (1-ta) ~ U(t abs -t e )

39 Účinnost solárního kolektoru 39/61 t ta F' tau U abst m G t t e G 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

40 Přenos tepla z povrchu absorbéru 40/61

41 Účinnostní součinitel kolektoru F 41/61 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

42 Trubkové Sydney kolektory - lamela 42/61 dáno Sydney trubkou F' t a U t m t G e kontaktní lamela: krátká, vodivá, silná, s velmi těsným kontaktem

43 Parametry solárních kolektorů 43/61

44 Zkoušení solárních kolektorů (podle EN) 44/61 ČSN EN , ČSN EN ISO 9806 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

45 Stanovení výkonu a účinnosti 45/61 G t k2 výkon Q M k c ( t k2 t k1). M t k1 Q k M c ( t k2 t k1) účinnost Q G k A k

46 Proložení bodů účinnosti 46/61 1,0 co nejblíže (t m t e ) = 0 0,8 0,6 [-] 0,4 0,2 rozsah měření regresní parabola 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t e )/G [m 2.K/W]

47 Účinnost solárního kolektoru (měření) 47/61 regresní parabola proložená naměřenými hodnotami y = a + bx + cx 2 t t m e m e 0 a1 a2 G G t t G 2 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 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 ISO 9806 (EN )

48 Teorie a experiment 48/61 F'ta F' U t m G t e 0 a 1 t m t G e a 2 t m t G e 2 0 = F ta a 1 +a 2 (t m - t e ) = F U optická účinnost součinitel prostupu tepla

49 Typické koeficienty křivky účinnosti* 49/61 Druh kolektoru 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) * vztaženo k ploše apertury kolektoru

50 50/61 Výkon solárního kolektoru G A Q k k 0 výkon solárního kolektoru (kolmý dopad, jasná obloha) instalovaný (nominální, jmenovitý) výkon solárního kolektoru pro definované podmínky (podle ESTIF): G = 1000 W/m 2 t e = 20 C t m = 50 C špičkový výkon kolektoru (bez tepelných ztrát) ] ) ( ) ( [ e m e m k k k t t a t t a G A G A Q G = 1000 W/m 2

51 Q k [W] Výkon solárního kolektoru 51/ špičkový výkon instalovaný výkon G = 1000 W/m (t m - t e ) [K]

52 52/61 Vztažná plocha kolektoru A k Q k G A k hrubá plocha: A G plocha apertury: A a plocha absorbéru: A A

53 53/61 Vztažná plocha kolektoru A k A A A A A A A a A a A a

54 54/61 Vztažná plocha kolektoru A k A a = 0,9 A G A a = 0,75 A G A a = 0,6 A G A a = 0,8 A G apertura: z hlediska porovnání vlastností kolektoru, konstrukce, provedení obrysová: z hlediska rozhodování o potenciálu kolektoru pro danou aplikaci

55 55/61 Účinnost solárního kolektoru A a A G 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]

56 56/61 Stagnační teplota G t t a G t t a e m e m = G t t t e m stg smluvní podmínky: t e = 30 C, G = 1000 W/m 2 G a G a a a G t t e m [(t m -t e )/G] =0

57 Typické stagnační teploty 57/61 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

58 Křivka účinnosti = f (t m t e ) 58/61 nejčastěji pro 800 W/m 2

59 Solární kolektory - aplikace 59/ 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 [-] G = 1000 W/m t m - t e [K]

60 Solární kolektory - aplikace 60/61 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)

61 Solární kolektory legislativní požadavky 61/61 minimální účinnost vyhláška 441/2012 Sb. požaduje pro nové instalace s investiční podporou tepla z OZE (podle zákona o podporovaných zdrojích energie) > 0.60 pro 30 K plochý dvojstěnný trubkový 0.6 [-] G = 1000 W/m W/m 2 2 > 0.55 pro 50 K t m - t e [K]