Porovnání výkonů vakuových a plochých kolektorů Vědci z University Ingolstadt - fakulty užitých věd zkoumali výkony solárních zařízení v rodinném dvojdomku. Cílem jejich projektu byl výzkum využití solární energie v dvojdomku s přestavěným systémem pro přípravu TUV a přitápění a jeho potenciál při redukcích emisí CO2. Dále se vědci zaměřili na vývojové parametry moderních vakuových kolektorů v porovnání s plochými kolektory v průběhu přípravy TUV a přitápění. Konference ESTEC2005, Freiburg, Německo, 21-22.6.05 Rodinný dům je typický dvojdomek na bavorském venkově. Postaven v sedmdesátých letech minulého století, poté prošel modernizací na začátku let devadesátých. Zimní zahrada je integrována do budovy. Dům má relativně vysoký standard zateplení. Existující topná soustava (kotel na olejová paliva, ploché sluneční kolektory, podlahové vytápění) byla modernizována o integraci trubicových vakuových kolektorů a stratifikační nádrž (viz schéma). Do budovy bylo instalováno měřící zařízení k monitorování termodynamických funkcí jednotlivých komponentů daného systému, zvláště energetický výtěžek z obou systémů, vakuových a plochých kolektorů. Kromě toho bylo prováděno šetření i na zásobníku - zde se vědci zajímali hlavně o jeho stratifikační funkci.
Překlad popisek ve schématu - hydraulické schéma a měřící zařízení (Figure 2): Flat plate collectors - ploché kolektory Aperture Area - plocha kolektorového pole 6,42 m2 Vacuum tube collectors - vakuové trubicové kolektory Aperture Area - plocha kolektorového pole 15,6 m2 Gross Area - (účinná) plocha absorbéru 5,7 m2 (1.12) Gross Area - (účinná) plocha absorbéru 9,7 m2 (1.6) Weather monitoring - sledování počasí Hot water preparation - příprava TUV Oil furnace - kotel na olejová paliva Stratification tank - stratifikační nádrž Heating system - topný systém TR FKR atd..- různé druhy senzorů Obrázek 3, (Figure 3) zobrazuje výtěžnost vakuových i plochých kolektorů v průběhu zimy 2004/05. Kromě oslunění na solární plochu je znázorněna výtěžnost co se týče hrubé plochy (šrafovaná část grafu) kolektoru. V průběhu celého období generovaly ploché kolektory vyšší výtěžnost na účinnou plochu kolektoru přes jejich nižší nominální výkonnost. Což je zajímavé, když uvažujeme nad těmito kolektorovými charakteristikami a náležitě hodnotíme oba typy kolektorů v reálném provoze (v poměru k laboratorním měřením). Pro zákazníka je toto určitě důležitá vlastnost výrobku jelikož pro zachytávání tepelného záření na streše je vždy požadována kompletní plocha kolektorů, která je ve svém důsledku také koncovým zákazníkem zaplacena. Nehledě také na to, že dostupná střešní plocha limituje také množství (použitelných) kolektorů, zvláště v případech kdy je zapotřebí větších kolektorových ploch. U plochých kolektorů je poměr mezi celkovou plochou a plochou absorberu 1.12 u vakuových 1.60 (viz foto)! Uvážíme-li absorbční plochu kolektoru, tedy čistou plochu absorberu (vyplněné části grafu) pak zjistíme že vakuové trubicové kolektory vykazují vyšší výtěžnost než ploché kolektory na podzim a na jaře. Přirozeně
by se dalo předvídat, že energetická výtěžnost vakuových trubicových kolektorů bude růst při porovnání s plochými kolektory v období kdy okolní teplota vzduchu klesá. Z tohoto důvodu je to překvapivé zjištění, když uvážíme vyšší teoretickou i nominální účinnost vakuových kolektorů. Překlad popisek v grafu č 3 - Oslunění, energetická výtěžnost a okolní teplota v podzimních, zimních a jarních měsících 2004/05 (Figure 3) Insolation on collector surface - oslunění na kolektorovou plochu Collector Yield FPC (Aperture Area) - Výtěžnost kolektoru FPC - plochý kolektor - plocha kolektorového pole Aperture Area - kolektorová plocha Collector Yield VTC (Aperture Area) - Výtěžnost kolektoru VTC - vakuový trubicový kolektor - plocha kolektor. pole Aperture Area - kolektorová plocha Collector Yield FPC (Gross Area) - Výtěžnost kolektoru FPC - plochý kolektor - účinná absorbční plocha Gross Area - absorbční plocha Collector Yield VTC (Gross Area) - Výtěžnost kolektoru VTC - vakuový trubicový kolektor - účinná absorbční plocha Gross Area - absorbční plocha Ambient Air Temperature - venkovní teplota okolního vzduchu FPC - Plochý (vzdušný) kolektor VTC - vakuový trubicový kolektor Poznámka v grafu: Yield of flat Plate Collector higher than of VacuumTube Collector concerning Gross Area, even if Ambient Temperature is falling Výtěžnost plochého (vzdušného) kolektoru je vyšší než vakuového trubicového pokud jde o kolektorovou plochu, dokonce i v případě, kdy teplota okolního vzduchu klesá.
Obrázek 4, (Figure 4) zobrazuje typické období v Lednu 2005. Sluneční záření (oslunění) je mírné a venkovní teplota je srovnatelně nízká (< 0ºC). Ve dnech 28 a 29.01.2005 pracují pouze ploché kolektory. Dne 30.01.2005 jsou téměř ideální podmínky pro vakuové trubicové kolektory: Vysoká hodnota slunečního záření při nízké teplotě okolí. Vakuové trubicové kolektory ale toho dne pracují pouze krátkou dobu v odpoledních hodinách, kdy již zapadá slunce. Na rozdíl od nich ale ploché kolektory pracují po celý den a přinášejí tepelnou energii na dostatečné úrovni. Tento stav nasvědčuje, že vakuové trubicové kolektory jsou pokryty námrazou, nebo sněhem po celou dobu a jejich přirozené odmrazování probíhá velice zvolna z důvodu jejich velice účinné izolaci vakuem. Překlad popisek v grafu č 4 - Typické chování kolektorů v Lednu 2005 (Figure 4) Poznámky v grafu: Flat plate Collector operates at low insolation and ambient temperature - Plochý kolektor pracuje při nízkém slunečním záření a nízké okolní teplotě Flat plate Collector works continuously - Plochý kolektor pracuje nepřetržitě Flat plate Collector (store inlet) - Plochý kolektor (teplotní příkon) Vacuum Tube Collector starts late and operates short time (insolation decreases) - Vakuový kolektor začíná později a kratší dobu (záření ubývá) Vacuum Tube Collector (store inlet) - Vakuový kolektor (teplotní příkon) Insolation - sluneční záření (oslunění) Ambient Air Temperature (<0ºC) - venkovní teplota okolního vzduchu Obrázek 5, (Figure 5) zobrazuje typické fotografie obou typů kolektorů za podmínek pokrytí sněhem (vlevo)
a námrazou (vpravo). Sníh může jednoduše sklouznout po hladkém skleněném povrchu plochých kolektorů. V opačném případě je zachycen mezi jednotlivé vakuové trubice a spodní uchycení kolektorových polí i při sklonu 33º. Překlad názvu obrázku č. 5 (Figure 5) - Kolektory pokryté sněhem (v levo) a námrazou (v pravo) v průběhu zimního období