1/89 Solární kolektory

Transkript

1 1/89 Solární kolektory typy účinnost použití

2 2/89 Fototermální přeměna 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 3/89 Solární kolektor Transparentní kryt - zasklení Absorbér Sběrná trubka pro odvod tepla Tepelná izolace Trubky s teplonosnou látkou Rám kolektoru

4 Solární kolektory - rozdělení 4/89

5 5/89 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

6 6/89 Vzduchové solární kolektory Zasklení Izolace Přírubový rám Žebrový absorbér Vana

7 7/89 Vzduchové solární kolektory integrace do střešního pláště

8 Vzduchové solární kolektory 8/89

9 9/89 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

10 10/89 Nekryté solární kolektory teplotní hladiny do 40 C vhodné pro sezónní aplikace, ohřev bazénové vody výrazně závislé na okolních podmínkách (teplota, proudění vzduchu)

11 Ploché kryté solární kolektory 11/89

12 12/89 Ploché kryté solární kolektory 1 rám 2 těsnění 3 transparentní kryt 4 tepelná izolace 5 absorbér 6 trubkový registr

13 13/89 Ploché solární kolektory výhodné z hlediska integrace do obálky budovy střecha fasáda

14 14/89 Ploché vakuové solární kolektory podtlak pro omezení tepelných ztrát (absolutní tlak 1 až 10 kpa) zatížení plochého krycího skla (opěrky) sálání zadní strany absorbéru je nutné stínit

15 15/89 Vakuové trubkové solární kolektory jednostěnná vakuová trubka plochý absorbér dvojstěnná vakuová trubka (Sydney) válcový absorbér vakuum 1 mpa

16 16/89 Vakuové trubkové solární kolektory Jednostěnná vakuová trubka s plochým absorbérem přímo protékaný registr (PP) velmi kvalitní přestup tepla z absorbéru do kapaliny

17 17/89 Vakuové trubkové solární kolektory Jednostěnná vakuová trubka s plochým absorbérem tepelná trubice (TT) velmi kvalitní přestup tepla z absorbéru na výparník tepelné trubice

18 18/89 Vakuové trubkové solární kolektory zdroj: Viessmann

19 19/89 Vakuové trubkové solární kolektory Dvojstěnná vakuová Sydney trubka s válcovým absorbérem přímo protékaný registr (s kontaktní lamelou), PP nezbytná tepelně vodivá teplosměnná lamela mezi absorbérem a trubkovým registrem

20 20/89 Vakuové trubkové solární kolektory Dvojstěnná vakuová Sydney trubka s válcovým absorbérem tepelná trubice (s kontaktní lamelou), TT nezbytná tepelně vodivá teplosměnná lamela mezi absorbérem a trubkovým registrem

21 21/89 Vakuové trubkové Sydney kolektory kontaktní lamela napojení PP potrubí Sydney trubky reflektor zdroj: OPC

22 Vakuové trubkové Sydney kolektory 22/89

23 23/89 Vakuové trubkové solární kolektory barium pro pohlcení plynů změna barvy

24 24/89 Vakuové trubkové solární kolektory vakuová izolace = sníh či námraza odtává velmi pomalu akumulace sněhu: problematické použití reflektoru, šikmá střecha

25 25/89 Ploché solární kolektory x odtávání tepelné ztráty umožňují provoz i v době zvýšené sněhové pokrývky

26 Trubkové kolektory - tepelná trubice (TT) 26/89 odvod tepla do teplonosné kapaliny sluneční energie pohlcená absorbérem teplo přijaté výparníkem tepelné trubice

27 Trubkové kolektory - tepelná trubice (TT) 27/89 suché napojení tepelné trubice zdroj: Viessmann kondenzátor uložen v pouzdru pouzdro omývané teplonosnou látkou

28 Trubkové kolektory - tepelná trubice (TT) 28/89 mokré napojení tepelné trubice kondenzátor tepelné trubice přímo omývaný teplonosnou látkou

29 Trubkové solární kolektory s reflektorem 29/89 zrcadlový odraz difúzní odraz trvanlivost optické kvality odrazného plechu zachycování a kumulace sněhu (ledu), poničení trubek zvýšení aktivní plochy kolektoru (apertury)

30 30/89 Koncentrační solární kolektory koncentrace přímého slunečního záření odrazem (zrcadla) x lomem (čočky) lineární ohnisko parabolický reflektor Winstonův kolektor kolektor s Fresnellovou čočkou bodové ohnisko paraboloidní reflektor fasetové reflektory, heliostaty

31 Koncentrační solární kolektory (odraz) 31/89

32 Kolektory s Fresnellovými čočkami (lom) přechod mezi aktivními a pasivními prvky 32/89 zdroj: ENKI

33 33/89 Solární kolektory - princip Odraz na zasklení Odraz na absorbéru Tepelná ztráta zasklením Odvod tepla teplonosnou látkou pro využití Dopadající sluneční záření Tepelné ztráty zadními a bočními stěnami

34 34/89 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

35 35/89 Optické ztráty odrazem odraz na každém rozhraní sklo-vzduch 4 % (při kolmém dopadu) prakticky nezávislé na tloušťce 1 % 100 % 91 % 4 % + 4 %

36 36/89 Antireflexní (AR) povlaky odrazivost se sníží na 1,5 % na každém rozhraní sklo-vzduch vrstva s významně nižším indexem lomu (mechanické, chemické procesy) 1 % 100 % 96 % 3 % dvojité zasklení se 4 AR povlaky: propustnost 92 % > jednoduché zasklení bez AR povlaků 91 %

37 37/89 Tepelné ztráty kolektoru tepelná ztráta zasklením cca % celkové ztráty komůrkové struktury násobná zasklení speciální struktury voštinové struktury aerogel

38 Optické vlastnosti zasklení - propustnost 38/89 ~ konst

39 Tepelné ztráty x optická účinnost 39/89

40 40/89 Absorbér solárního kolektoru teorie záření, radiační vlastnosti těles pohltivost α + odrazivost ρ = 1 (pro záření nepropouštějící tělesa) pro danou vlnovou délku záření λ platí: pohltivost α λ = emisivita ε λ absolutně černá tělesa: α = 1, ρ = 0 absolutně bílá tělesa: α = 0, ρ = 1 šedá tělesa 0 < α = α λ < 1, ρ = 1 α pro všechny vlnové délky pro všechny vlnové délky pro všechny vlnové délky selektivní tělesa 0 < α λ < 1, ρ λ = 1 α λ α SOL ε IR

41 41/89 Selektivita povrchu absorbéru ideálně ρ = 1, α = ε = 0 oblast vlnových délek slunečního záření oblast vlnových délek infračerveného záření ideálně ρ = 0, ε = α = 1

42 42/89 Selektivní povrchy galvanické vytvoření struktury elektrochemickou cestou tyčinky na velmi odrazivém materiálu (substrátu), α = 0,93 0,96, ε = 0,10 0,16 keramicko-kovové (ceramic-metal: cermet) naprašováním, PVD proces, velmi kvalitní povrchy, α = 0,95, ε = 0,05 nátěry výrazně horší vlastnosti, α = 0,92, ε = 0,85

43 43/89 Energetická bilance solárního kolektoru 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 = G.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 )

44 44/89 Výkon a účinnost solárního kolektoru výkon kolektoru: Q& k = GA τα UA k k ( t te ) abs účinnost vztažená ke střední teplotě absorbéru: η = Q& Q& k s = Q& k GA k = GA τα UA k GA k k ( t t ) abs e η =τα U ( t te ) abs G

45 45/89 Účinnost solárního kolektoru η =τα U ( t t ) abs G 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]

46 46/89 Účinnost solárního kolektoru ~ (1-τα) ~ U(t abs -t e )

47 47/89 Tepelné ztráty solárního kolektoru 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 )

48 Tepelné ztráty kolektoru v detailu 48/89

49 Přenos tepla z povrchu absorbéru 49/89

50 50/89 Účinnost solárního kolektoru η = Fτα ' ταu U ( t ( t t t) ) abs m G 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

51 51/89 Účinnostní součinitel kolektoru F závisí na geometrických vlastnostech absorbéru 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

52 52/89 Vliv materiálu a geometrie absorbéru 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 )/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]

53 53/89 Plastové absorbéry tepelná vodivost plastů: 0,2 W/(m.K) pro zajištění dostatečného přenosu tepla: malé rozteče trubek silné stěny měď: 390 W/(m.K)

54 54/89 Vliv spoje na účinnost přiložený naklapnutý

55 55/89 Trubkové Sydney kolektory - lamela dáno Sydney trubkou η = F' τ α U ( t t ) m G e kontaktní lamela: krátká, vodivá, silná, s velmi těsným kontaktem

56 56/89 Vliv kontaktní lamely na účinnost (PP) Vakuové Sydney kolektory s přímo protékaným (PP) U-registrem G > 700 W/m 2 kontaktní lamela je zásadním prvkem Sydney kolektoru

57 57/89 Zkoušení solárních kolektorů (podle EN) ČSN EN ,2 (v českém překladu) Zkoušky výkonové tepelný výkon a účinnost kolektoru modifikátor úhlu dopadu (vliv úhlu dopadu na výkon kolektoru) účinná tepelná kapacita kolektoru (setrvačnost kolektoru), časová konstanta

58 58/89 Zkoušení solárních kolektorů (podle EN) ČSN EN ,2 Zkoušky spolehlivosti vnitřní přetlak odolnost proti vysokým teplotám vystavení vnějším vlivům vnější tepelný ráz vnitřní tepelný ráz průnik deště (zasklené) mechanické zatížení odolnost proti nárazu vyhotovení protokolu o zkoušce (!)

59 59/89 Solar Keymark Certifikační značka kvality obecně pro výrobky pro solární tepelné soustavy dobrovolná certifikace třetí stranou, komplexní shoda s danou EN nejde o CE značku! (povinná, dokument pro evropský trh, shoda s evropskými směrnicemi a 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

60 60/89 Výkon solárního kolektoru Q & k = M & c ( t k2 t k1) [W] 2500 plochý G t k trubkový s plochým absorbérem trubkový s válcovým absorbérem M. Q k [W] t k1 Q & k = M & c ( t t ) k1 k2 500 G = 1000 W/m 2 účinnost η Q& k = G A k t m - t e [K]

61 61/89 Účinnost solárního kolektoru (měření) regresní parabola proložená naměřenými hodnotami y = a + bx + cx 2 η = η t t t t G m e m e 0 a1 a2 G G 2 η 0 a 1 optická účinnost [-], správně: účinnost při nulové tepelné ztrátě obecně η 0 = F τα součinitel tepelné ztráty (lineární) [W/(m 2.K)] a 2 součinitel tepelné ztráty (kvadratický) [W/(m 2.K 2 )] } a 1 +a 2 (t m - t e ) = F U hodnoty η 0, a 1, a 2 udává výrobce, dodavatel kolektoru, případně zkušebna na základě zkoušky v souladu s EN

62 62/89 Typické konstanty křivky účinnosti Typ kolektoru η 0 - a 1 W/(m 2 K) a 2 W/(m 2 K 2 ) Plochý selektivní 0,78 4,2 0,015 Trubkový vakuový jednostěnný 0,75 1,5 0,008 Trubkový vakuový dvojstěnný (Sydney) 0,65 1,5 0,005

63 63/89 Plocha solárního kolektoru hrubá plocha: A G plocha apertury: A a plocha absorbéru: A A

64 64/89 Plocha solárního kolektoru A A A A A A A a A a A a

65 65/89 Plocha solárního kolektoru A a = 0,9 A G A a = 0,75 A G A a = 0,6 A G A a = 0,8 A G

66 66/89 Účinnost solárního kolektoru 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 )/G [m 2.K/W]

67 67/89 Účinnost solárního kolektoru podle EN stanovena pro: G > 700 W/m 2 w > 3 m/s η 0 [(t m -t e )/G] η=0 η 0.05

68 68/89 Stagnační teplota ( ) G t t a G t t a e m e m = η η = = + = η 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 + = = η η [(t m -t e )/G] η=0

69 69/89 Typické stagnační teploty Typ kolektoru Nezasklený kolektor Zasklený neselektivní kolektor Zasklený selektivní kolektor Trubkový jednostěnný vakuový kolektor Trubkový vakuový Sydney kolektor t stg [ C]

70 70/89 Křivka účinnosti = f (t m t e ) nejčastěji pro 800 W/m 2

71 Solární kolektory - aplikace 71/89

72 72/89 Výkon solárního kolektoru výkon solárního kolektoru (kolmý dopad, jasná obloha) Q& k = A [ η G k a ( t t ) a ( t t 0 1 m e 2 m e ) 2 ] 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) Q& = A η G k k 0 G = 1000 W/m 2

73 73/89 Modifikátor úhlu dopadu (K θ, IAM) křivka účinnosti platí pro kolmý úhel dopadu θ = 0 x během roku θ 0 η( θ ) = η ( θ ) a 0 1 t m t G e a 2 ( t m t G 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 = = η0(0 ) F' ( τα) F'( τα) θ n osově symetrické kolektory: K θ (θ) osově nesymetrické kolektory: K θ (θ) = K L (θ L ) K T (θ T )

74 74/89 Opticky osově nesymetrický kolektor K θ = K θ,l (θ L ). K θ,t (θ T )

75 75/89 Modifikátor úhlu dopadu (K θ, IAM) 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 [ ]

76 76/89 Modifikátor úhlu dopadu (K θ, IAM) 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 [ ]

77 77/89 Výkon kolektoru v reálných podmínkách ze zkoušky tepelného výkonu podle EN : křivka účinnosti η = η 0 a 1 t m t G e a 2 ( t t m G e ) 2 ze zkoušky modifikátoru podle EN : křivka modifikátoru K θ,b η0( θ ) = η (0 ) 0 π / 2 K θ, d = K ( θ ) sin2θ dθ 0 výkon kolektoru pro obecné podmínky (přímé, difúzní záření) Q& k = A [ η 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

78 78/89 Výkon kolektoru v reálných podmínkách 1000 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

79 79/89 Porovnání kolektorů (pro 40 C) k ploše apertury A a k hrubé ploše A G t m = 40 C 500 kwh/m 2.rok PK1 PK2 PK3 PK4 TP1 TV1 TV2 TV3 TV4 TR1 TR2 TR3

80 80/89 Porovnání kolektorů (pro 80 C) k ploše apertury A a t m = 80 C k hrubé ploše A G 300 kwh/m 2.rok PK1 PK2 PK3 PK4 TP1 TV1 TV2 TV3 TV4 TR1 TR2 TR3

81 81/89 Závěry 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?

82 82/89 Porovnání ceny solárních kolektorů 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

83 83/89 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)

84 84/89 Solární kolektory dodané na trh v ČR Dodávka na český trh [m 2 ] Ploché zasklené Vakuové trubicové Koncentrační Celkem nárůst 40 % podíl trubicových kolektorů 24 % plastových absorbérů m 2 ( m 2 ) m 2 (DE) m 2 (AT) zdroj: Bufka, MPO

85 85/89 Instalované solární kolektory v ČR Celková instalovaná plocha činných systémů [m 2 ] Ploché zasklené Vakuové trubicové Koncentrační Celkem podíl trubicových kolektorů 17 % nárůst 25 % zdroj: Bufka, MPO

86 86/89 Solární kolektory v Evropě (2008) Instalované m 2 kolektorů na 1000 obyvatel evropský průměr: 54 m 2 / obyvatel CZ zdroj: ESTIF 16 m 2 / 1000 obyvatel

87 Podíl solárního tepla na OZE v ČR (2008) 87/89 Produkce tepla z OZE v roce 2008 zdroj: Bufka, MPO

88 88/89 Očekávaný potenciál solárního tepla v ČR zdroj: Asociace využití obnovitelných zdrojů energie PJ biomasa 44,14 62,36 84,30 93,48 99,80 105,52 geotermální energie 0,55 2,20 5,73 10,51 14,40 17,70 sluneční energie 0,10 0,28 1,03 2,25 3,08 4,12 celkem 44,8 64,8 91,1 106,2 117,3 127,3 podíl 3 % na teple z OZE

89 Děkuji za pozornost 89/89