ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí Protokol o zkoušce tepelného výkonu solárního kolektoru při ustálených podmínkách podle ČSN EN 12975-2 Ing. Tomáš Matuška, Ph.D. Ing. Bořivoj Šourek Zakázka č. 41-06021 TS 310 Objednatel: Adresa: THERMO/SOLAR Žiar s.r.o. Na vartičke 14, 965 01 Žiar nad Hronom (Slovenská republika) Zpracovatel: Ústav techniky prostředí, Adresa: Technická 4, 166 07, Praha 6 Telefon: +420 224 352 586, +420 224 352 433 Fax: +420 224 355 606 E-mail: borivoj.sourek@fs.cvut.cz, tomas.matuska@fs.cvut.cz Datum: září 2006
Obsah 1. Všeobecně... 3 2. Popis solárního kolektoru... 3 2.1. Kolektor... 3 2.2. Zasklení (kryt kolektoru)... 3 2.3. Absorbér:... 3 2.4. Tepelná izolace a skříň... 4 2.5. Omezení... 4 2.6. Další omezení... 4 2.7. Fotografie kolektoru... 4 2.8. Popis kolektoru... 5 2.9. Montáž kolektoru... 5 2.10. Poznámky ke konstrukci kolektoru... 5 3. Zkušební trať... 5 3.1. Schéma zkušební trati... 5 3.2. Podmínky zkoušky... 5 4. Tepelný výkon a účinnost... 6 4.1. Křivka účinnosti (naměřená)... 6 4.2. Standardní křivka účinnosti (G = 800 W/m 2 )... 7 5. Tepelný výkon solárního kolektoru... 8 6. Stagnační teplota... 8 7. Tlaková ztráta... 8 8. Časová konstanta... 9 9. Účinná tepelná kapacita... 9 10. Modifikátor úhlu dopadu... 9 11. Pozorovaná selhání... 9 Solární laboratoř Ústavu techniky prostředí Strana 2 (celkem 9)
1. Všeobecně Referenční číslo kolektoru: 41-06021 Zkoušku provedl: Ing. Tomáš Matuška, Ph.D, Ing. Bořivoj Šourek Zkušebna: Solární laboratoř, Ústavu techniky prostředí, ČVUT v Praze Adresa: Technická 4, 166 07 Praha 6 Datum: srpen - září 2006 2. Popis solárního kolektoru 2.1. Kolektor Výrobce: Typové označení: TS 310 Sériové číslo: S1521/0256023011 Rok výroby: 2006 Plochý/vakuovaný/podtlakový: plochý, zasklený THERMO/SOLAR Žiar s.r.o. Na vartičke 14, 965 01 Žiar nad Hronom Délka / výška / hloubka: 2009 mm x 1009 mm x 95 mm Plocha kolektoru: 2.03 m 2 Připojovací rozměr potrubí (DN): 2 x příruba na O kroužek, průměr 22 mm Hmotnost v prázdném stavu: 38 kg Obsah kapaliny: 1.65 l Rozsah průtoků: od 30 do 100 l/h (dle výrobce) Doporučený provozní přetlak: hydrostatická výška + 70 kpa (max. do 600 kpa) kpa Teplonosná látka: voda/olej/jiná propylenglykol Specifikace (přísady atd.): inhibitory koroze Alternativní teplonosná látka: demineralizovaná voda v oblastech s celoroční teplotou nad bodem mrazu 2.2. Zasklení (kryt kolektoru) Počet krytů: 1 Materiál krytu: bezpečností solární antireflexní sklo Tloušťka krytu: 4 mm Propustnost slunečního záření krytu: 92 % Rozměry apertury: 1.914 m x 0.924 m = 1.77 m 2 2.3. Absorbér: Materiál: Al Tloušťka absorbéru: 0.4 mm Povrchová úprava, povlak: Mirotherm Pohltivost slunečního záření α: 0,94-0,96 % Solární laboratoř Ústavu techniky prostředí Strana 3 (celkem 9)
Emisivita ε: 5 % Konstrukční typ trubkového registru: meandrový Počet trubek nebo kanálů: 1 Průměr trubky nebo rozměr kanálu: Cu 10 mm x 0.6 mm Rozteč trubek nebo kanálů: - mm Rozměry: 1.914 m x 0.907 m = 1.74 m 2 2.4. Tepelná izolace a skříň Tloušťka tepelné izolace zadní strany: 60 mm Tloušťka tepelné izolace boční strany: 15 mm Izolační materiál: minerální plsť Materiál skříně: Al-Mg plech Těsnicí materiál: EPDM Rozměry skříně: 2.009 m x 1.009 m = 2.027 m 2 2.5. Omezení Nejvyšší provozní teplota: Nejvyšší provozní tlak: doporučená 120 C (dáno výrobcem je však nižší než stagnační teplota!) doporučený 0.6 MPa 2.6. Další omezení Další omezení: žádné 2.7. Fotografie kolektoru Obr. 1 Pohled zepředu (při zkoušce výkonu) Solární laboratoř Ústavu techniky prostředí Strana 4 (celkem 9)
2.8. Popis kolektoru V kolektorové vaně vyrobené hlubokotažným lisováním plechů z hliníko-horčíkovej slitiny je na speciální tepelně stálé a biologicky odbouratelné minerální izolaci uložen nízkoemisní hliníkový absorbér typu mirotherm. V absorbéru jsou předlisované žlábky, do kterých se patentově chráněnou technologií zalisovává měděnou trubkou tvořený meandr. Předností této technologie je velká kontaktní plocha a tím i dobrý přestup tepla z absorbéru do teplonosné látky, bezproblémové vzájemné spojování materiálů s různou tepelnou dilatací (Al s Cu), minimalizace laminárního typu proudění kapaliny a dobrá tvarová stabilita absorbéru, umožňující udržovat optimální vzdálenost mezi absorbérem a krycím solárním bezpečnostním sklem kolektoru. 2.9. Montáž kolektoru Na skloněné střeše: ano Vestavěný do skloněné střechy: ano Na ploché střeše: ano Na fasádě: ano Vestavěný do fasády: ne 2.10. Poznámky ke konstrukci kolektoru Konstrukce kolektoru odpovídá nejnovějším poznatkům v oboru. Umožňuje instalaci v malých i velkých solárních soustavách. Dílenské zpracování všech detailů je na vysoké úrovni. 3. Zkušební trať 3.1. Schéma zkušební trati 3.2. Podmínky zkoušky Zkušební metoda: vnější ustálená vnější kvazi-dynamická Zdroj ozáření: přirozené sluneční Zeměpisná šířka: 50 06 severní šířky Sklon kolektoru: 45 Místní čas v solární poledne: 11:51:47 (v době konání zkoušky) Zeměpisná délka: 14 23 východní délky Azimut kolektoru: jih (0 ) Solární laboratoř Ústavu techniky prostředí Strana 5 (celkem 9)
4. Tepelný výkon a účinnost Zkouška tepelného výkonu Q solárního kolektoru probíhala za jasného počasí pro hodnoty slunečního ozáření vyšší než 700 W/m 2. Účinnost solárního kolektoru η byla vyhodnocována pro plochu apertury A a podle vztahu Q η a = AaG Plocha apertury A a : 1.77 m 2 Teplonosná látka použitá při zkoušce: voda Průtok teplonosné látky při zkoušce: 116.6 kg/h ± 3.5 kg/h 4.1. Křivka účinnosti (naměřená) Tab. 1 Naměřené hodnoty č. G m t in t out t out - t in t m t a (t m - t a )/G η apert η abs [W/m 2 ] [kg/h] [ C] [ C] [K] [ C] [ C] [m 2.K/W] [-] [-] 1 920 120.1 83.0 89.0 6.1 86.0 24.4 0.067 0.52 0.53 2 952 116.2 66.6 74.3 7.7 70.5 25.9 0.047 0.62 0.63 3 917 113.2 56.1 64.4 8.4 60.2 26.0 0.037 0.68 0.69 4 962 114.4 17.1 27.3 10.1 22.2 18.5 0.004 0.79 0.81 5 949 117.0 30.9 40.1 9.2 35.5 19.2 0.017 0.74 0.76 6 806 114.4 17.1 25.8 8.8 21.5 23.4-0.002 0.82 0.83 7 806 114.4 17.1 25.8 8.8 21.5 23.4-0.002 0.82 0.83 8 806 114.4 17.1 25.8 8.8 21.5 23.4-0.002 0.82 0.83 Okamžitá účinnost - přes plochu apertury - TS 310, měřené hodnoty Účinnost [-] 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0-0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 (t m - t a )/G [m 2.K/W] Graf 1 Naměřené body učinnosti a jejich proložení metodou nejmenších čtverců Solární laboratoř Ústavu techniky prostředí Strana 6 (celkem 9)
4.2. Standardní křivka účinnosti (G = 800 W/m 2 ) Nahrazení křivkou druhého řádu: tm ta tm t η A = η0a a1a a2ag G G kde G... celkové sluneční ozáření [W/m 2 ] t a... teplota okolního vzduchu [ C] t m... střední teplota teplonosné látky [ C] kde t m tin + t out = 2 t in je teplota na vstupu do kolektoru [ C] teplota na výstupu z kolektoru [ C] t out a 2 Součinitel η 0 vyjadřuje optické vlastnosti kolektoru, součinitelé a 1 a a 2 vyjadřují tepelnou ztrátu kolektoru. Pro plochu apertury: Pro plochu absorbéru η 0a = 0.806 η 0A = 0.821 a 1a = 3.110 W/m 2.K a 1A = 3.168 W/m 2.K a 2a = 0.021 W/m 2.K 2 a 2A = 0.022 W/m 2.K 2 Účinnost [-] 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Okamžitá účinnost - přes plochu apertury - TS 310 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 (t m - t a )/G [m 2.K/W] POZNÁMKA Hodnota G použitá pro nahrazení druhého řádu je 800 W/m 2. Graf 2 Standardní křivka účinnosti solárního kolektoru přes plochu apertury Solární laboratoř Ústavu techniky prostředí Strana 7 (celkem 9)
Tab. 2 Tabelární vyjádření křivky účinnosti podle plochy apertury (G = 800 W/m 2 ) (t m - t a )/G 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 η 0.81 0.77 0.74 0.70 0.65 0.61 0.56 0.51 0.45 0.39 0.33 5. Tepelný výkon solárního kolektoru Špičkový tepelný výkon kolektoru byl stanoven pro sluneční ozáření G = 1000 W/m 2. Hodnoty tepelného výkonu pro jiné podmínky jsou uvedeny v tabulce: Tab. 3 Tepelný výkon solárního kolektoru [W] t m - t a Sluneční ozáření G [K] W/m 2 W/m 2 W/m 2 400 700 1000 10 512 939 1367 20 445 873 1301 30 372 799 1227 Poznámka: Hodnoty jsou stanoveny pro kolmý úhel dopadu slunečního záření 6. Stagnační teplota Stagnační teplota je teplota při provozních podmínkách bez odběru tepla ze solárního kolektoru, kdy tepelný tok pohlcený absorbérem se odvádí zpět do okolního prostředí tepelnými ztrátami obálky kolektoru. Stagnační teplota: 165.0 C POZNÁMKA: Stagnační teplota byla určena výpočtem z průsečíku křivky účinnosti s osou (t m t a )/G pro jmenovité hodnoty t a = 30 C a G = 1000 W/m 2. 7. Tlaková ztráta Teplonosná látka: voda Teplota teplonosné látky: 28 C Jmenovitý objemový průtok: 116.6 l/h Tlaková ztráta: m p [kg/h] [Pa] 0 0 20 1241 40 2964 60 5168 80 7855 100 11023 120 14673 140 18805 Tab. 4 Naměřené hodnoty 8245 Pa Tlaková ztráta (Pa) Tlakové ztráty kolektoru TS 310 20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Průtok (kg/hod) Obr. 5 Hydraulická charakteristika kolektoru Solární laboratoř Ústavu techniky prostředí Strana 8 (celkem 9)
8. Časová konstanta Časová konstanta byla / nebyla stanovena τ c = s 9. Účinná tepelná kapacita Tepelná kapacita kolektoru byla / nebyla stanovena výpočtem. C = Stanovení: Výpočet: Vnitřní: Vnější: 10. Modifikátor úhlu dopadu Modifikátor úhlu dopadu vyjadřuje závislost výkonu kolektoru na úhlu dopadu slunečního záření na kolektor. Modifikátor při zkoušce byl / nebyl stanoven. Úhel: Modifikátor K θ : 11. Pozorovaná selhání Při měření okamžité účinnosti kolektoru TS 310 nebylo pozorováno jakéhokoliv selhání označeného jako podstatná vada, definované v 5.3.1 pren 12975-1:2000. Datum: 6.10.2006 Zpracoval: Ing. Bořivoj Šourek Podpis: Solární laboratoř Ústavu techniky prostředí Strana 9 (celkem 9)