Domů | Kontakt

|

Sitemap

• Nabídka
• |
• Návrhy
• |
• Možnosti posouzení kolektorů

SANMAX > Možnosti laického posouzení slunečních kolektorů

Možnosti laického posouzení slunečních kolektorů

V současné době je v ČR nabízeno značné množství různých typů slunečních kolektorů. Jejich prezentace však málokdy nabízí vysvětlení uváděných vlastností tak, aby i laik dokázal vyhodnotit jejich skutečný přínos k žádanému cíli, kterým je maximální celoroční energetický zisk. Často jsou též popisovány klady použité konstrukce, avšak o záporech se takticky mlčí. Pokusme se proto co nejjednodušeji vysvětlit jednotlivé pojmy a kvantifikovat jejich vliv na výsledný efekt. Pro přehlednost textu jsou některé kapitoly, pojmy nebo tvrzení (označené modře) vysvětleny podrobněji v rozšířené verzi nebo formou dodatku k příslušné kapitole.

Referenční plocha

Abychom mohli porovnat různé konstrukce slunečních kolektorů, je nutné stanovit jednotnou referenční plochu. V následujícím textu je to plocha, ze které je kolektor schopen zachytit energii přímého slunečního záření při jeho kolmém dopadu (někdy se uvádí jako jímací plocha). U deskových absorbérů odpovídá absorpční ploše, u ostatních kolektorů pak půdorysu absorbéru nebo odrazných konstrukčních prvků. Na jednotnou referenční plochu musí být vždy vztažena účinnost (optické i tepelné ztráty), energetický zisk, výkon i cena porovnávaných kolektorů.

Tepelný odpor kolektorů

+ Klikněte pro rozšířenou verzi

Teplo, vzniklé na absorpční vrstvě je odváděno ke spotřebě pracovní kapalinou. Na cestě absorbér – pracovní kapalina musí překonat několik tepelných odporů. Výsledný tepelný odpor zvyšuje teplotu absorbéru oproti pracovní kapalině a tím jsou zvyšovány tepelné ztráty kolektoru. Tepelné odpory se snižují zvětšováním přestupních ploch a výběrem materiálů s dobrou tepelnou vodivostí (např. sklo má přibližně 300x menší tepelnou vodivost než měď) a s dostatečnou tloušťkou.

U deskových atmosférických, tzv. plochých kolektorů bývá častou příčinou nadměrného zvýšení teploty absorbéru příliš velká vzdálenost kraje absorbéru od místa, kde je teplo odváděno pracovní kapalinou.

U průtočných kolektorů bývá tepelný odpor menší než u kolektorů s tepelnými trubicemi. Proto se tepelné trubice téměř výhradně používají u kolektorů vakuových, u kterých má zvýšená teplota absorbéru menší vliv na celkové tepelné ztráty.

Při posuzování účinnosti kolektorů z dlouhodobého hlediska je dobré zamyslet se nad možností zvyšování tepelných odporů u dotykových spojů, založených na pružnosti materiálu, jež jsou u některých typů kolektorů použity k přestupu tepla mezi jejich jednotlivými částmi.

Vliv vakua na tepelné ztráty kolektorů

+ Klikněte pro rozšířenou verzi

Pokud je dostatečně snížen tlak vzduchu v prostoru, kde se nachází absorbér, výrazně se omezí celkové tepelné ztráty. Hodnota tlaku ve vakuových kolektorech se pohybuje řádově v rozmezí 10^-3 až 10^-4 Pa. Další snižování tlaku nemá z hlediska tepelných ztrát kolektoru význam.

Absorpční vrstva

+ Klikněte pro rozšířenou verzi

Z hlediska účinnosti kolektorů jsou důležité dvě základní vlastnosti absorpční vrstvy. Sluneční absorptivita a_s neboli pohltivost popisuje schopnost, jaký podíl energie slunečního záření dopadnutého na absorbér je absorpční vrstva schopna zachytit a přeměnit na teplo. Udává se jako bezrozměrné číslo o velikosti 0 až 1, případně v procentech a u kvalitních absorpčních vrstev se její velikost pohybuje kolem hodnoty 0,93 (93%). Další zvyšování velikosti a_s by mělo u běžně používaných vrstev za následek neúměrné navýšení velikosti tepelné emisivity e_t. Tato veličina popisuje schopnost jakéhokoliv povrchu vyzařovat tepelnou energii (tepelné ztráty) vzhledem k maximální možné hodnotě, platné pro absolutně černé těleso. Udává se také jako bezrozměrné číslo a její velikost se u moderních absorpčních vrstev pohybuje kolem hodnoty 0,06 (6%).

Tepelné ztráty vakuových kolektorů

Nemáme-li k dispozici naměřenou křivku účinnosti, lze zhruba odhadnout velikost tepelných ztrát různých konstrukcí vakuových kolektorů jednoduchou úvahou. Zanedbávají se zde tepelné ztráty rozvodného potrubí, které má poměrně malou plochu a bývá dobře zaizolováno v kolektorových rámech. Dále se předpokládá srovnatelný tepelný odpor prostupu tepla.

U vakuových kolektorů jsou dominantními tepelnými ztrátami ztráty vyzařováním. Protože množství vyzářeného tepla je přímo úměrné násobku tepelné emisivity a celkové plochy absorbéru, je snahou tuto plochu minimalizovat.

Srovnejme z hlediska tepelných ztrát plochý a kruhový absorbér. Absorpční vrstva má tepelnou emisivitu 0,06, čistá měď má tepelnou emisivitu 0,02 (spodní strana plochého absorbéru). Je-li šířka (průměr) absorbéru 1, platí pro plochý absorbér hodnota násobku:

1 . 0,06 + 1 . 0,02 = 0,08

a pro kruhový absorbér

π . 1 . 0,06 = 0,19

V tomto případě tedy bude mít srovnatelný typ vakuového kolektoru s kruhovým absorbérem zhruba 2,3 x větší tepelné ztráty vyzařováním než kolektor s deskovým absorbérem.

Výhodou absorbéru s kruhovým průřezem je skutečnost, že v určitém rozmezí úhlů (obr 1) mezi azimutem kolektoru a aktuálním azimutem slunce se chová jako deskový absorbér, jenž je natočen kolmo k slunci. Absorbér tak postupně zachytává stále větší část přímého slunečního záření, které by u deskového absorbéru dopadalo do mezer mezi absorbéry. Tím dochází k určitému navýšení příjmu přímého slunečního záření.

Po překročení úhlu, který je zde nazván sběrným úhlem, začínají jednotlivé trubice kolektoru zastiňovat trubici vedlejší. Velikost sběrného úhlu závisí na průměru a rozteči jednotlivých trubic a většinou se jeho velikost pohybuje kolem 50°.

Jednoduše nelze odhadnout, při jakém pracovním režimu kolektoru převáží zvýšený zisk slunečního záření nad tepelnými ztrátami či naopak. Logicky můžeme jen odvodit, že při malých pracovních teplotách (a při výhodnějších klimatických podmínkách) bude ziskovější kruhový absorbér a od určité hranice průměrných pracovních teplot se projeví nižší tepelné ztráty deskového absorbéru.

Pomocí výpočetního programu pak byly získány obecné průběhy energetického zisku obou typů kolektorů, uvedené v následujícím grafu na obrázku 2.

Graf popisuje závislost celoročního energetického zisku solárního systému na průměrné pracovní teplotě solárního systému pro oba typy absorbérů. Výpočet byl vykonán pro nížinné oblasti ČR s hodnotou sběrného úhlu 50°. Orientace kolektoru na jih pod úhlem sklonu 45°.

Vakuové kolektory s odraznými plochami

Kruhový tvar absorbéru je obvyklý i u kolektorů, využívajících různé odrazné plochy. Zde je nutné zdůraznit, že opticky koncentrovat, tedy z větší sběrné plochy odrazit na plochu menší, lze s dostatečnou účinností pouze přímé sluneční záření. Rozptýlené záření, jehož celoroční energetický přínos se v ČR pohybuje mezi 50 až 60%, přichází v podstatě rovnoměrně ze všech prostorových úhlů (když je slunce pod mrakem, nevrhají předměty znatelné stíny). Pro tento typ záření je optická účinnost odrazné plochy značně snížená.

Kolektor na obrázku 3 je tvořen skleněnou trubicí, jejíž vnitřní stěna je pokryta v dolní polovině obvodu odraznou vrstvou pro sluneční záření. Vnitřní skleněná trubice, pokryta absorpční vrstvou, je umístěna v blízkosti dna vnější trubice.

Kolektor na obrázku 4 je tvořen skleněnou trubicí s kruhovým absorbérem, pod kolektorovou trubicí je umístěna venkovní odrazná plocha.

Pokud opět porovnáme násobek plochy absorbéru a tepelné emisivity jako nositele hlavním tepelných ztrát kolektoru k jednotkové referenční ploše, vychází nám u obou obrázků hodnota

π . 0,5 . 0,06 = 0,09

Pro uvedené rozměry (lze samozřejmě dosadit i hodnoty jiné, platné pro konkrétní výrobek) můžeme konstatovat, že měrné tepelné ztráty těchto většinou celoskleněných vakuových kolektorů s odraznými plochami bývají obdobné jako u vakuových kolektorů s deskovým absorbérem, je ale nutné očekávat větší optické ztráty. U kolektorů podle obr. 4, jež nemají odraznou plochu krytou zasklením, mohou být tyto ztráty navíc zvýšeny usazováním nečistot, podporované tvarem odrazné plochy.

Protože mezery mezi trubicemi jsou odstíněny odraznou plochou (obr. 3) nebo jsou součástí sběrné plochy (obr. 4), nedochází zde ke zvýšenému zisku přímého záření při šikmém dopadu, jako tomu je u kolektorů dle obr. 1.

Optická účinnost slunečních kolektorů

Udává poměr mezi množstvím slunečního záření, dopadajícího na referenční plochu a skutečně přeměněného absorpční vrstvou na teplo. Optická účinnost kolektoru bez odrazných ploch je násobkem světelné propustnosti skleněného krytu kolektoru a sluneční absorptivity absorpční vrstvy. Má-li kolektor odrazné plochy, musíme tuto optickou účinnost ještě vynásobit optickou účinností odrazné plochy.

Světelná propustnost skleněného krytu je závislá na složení a tloušťce skla. Pro kolmý dopad slunečního záření se její velikost pohybuje kolem hodnoty 0,91 pro ploché kolektory a 0,89 pro vakuové kolektory (předpokládá se zhruba poloviční tloušťka skla než u plochých kolektorů). Menší hodnota je daná kruhovým tvarem krytu, kdy kolmý dopad může nastat jen v podélné ose trubice. Se vzrůstajícím odklonem od kolmého dopadu totiž světelná propustnost klesá hlavně zvýšeným odrazem.

Typická závislost klesající optické účinnosti na úhlu dopadu θ [1] je na obr. 7.

Důležitá je definice úhlu dopadu [2]. U plochých kolektorů je jedno, z kterého místa oblohy sluneční záření dopadá, záleží jen na odklonu od kolmého směru. Vakuový kolektor je však vzhledem ke kruhovému tvaru skleněné trubice vždy jakoby orientovaný kolmo k jednomu parametru, kterým je definována poloha slunce (azimut a výška slunce nad obzorem), neboť zakřivení krytu je již „zabudováno“ ve světelné propustnosti pro kolmý dopad.

Úhel dopadu slunečního záření je pak s dostatečnou přesností dán úhlem mezi sklonem kolektoru a výškou slunce nad obzorem (jsou-li trubice kolektoru orientovány směrem sever – jih),

nebo úhlem mezi azimutem slunce a azimutem kolektoru (jsou-li trubice kolektoru orientovány směrem východ – západ).

Protože úhel azimutu slunce může nabývat vůči kolektoru maximálních hodnot (90°) a úhel výšky slunce nad obzorem v našich zeměpisných šířkách maximálně 63° (navíc odklon od kolmého dopadu je korigován sklonem kolektoru, takže úhel θ nepřesahuje pro významnou část dne hodnotu 25°), je severojižní orientace trubic z hlediska optických ztrát mnohem výhodnější a její přínos z hlediska dostupnosti sluneční energie lze vyčíslit na 7 až 8 %.

Z předchozího textu dále vyplývá, že nejvyšší celoroční optické ztráty vlivem úhlu dopadu přímého slunečního záření na kolektor mají ploché kolektory.

Pro rozptýlené záření se může použít optická propustnost skleněného krytu kolektoru jako pro přímé záření, dopadající pod úhlem θ = 60°.

Skutečná optická účinnost (při 20% podílu rozptýleného záření) je pro ploché kolektory obvykle kolem 0,85 a pro vakuové kolektory bez odrazných ploch kolem 0,82.

Měření účinnosti slunečních kolektorů

Účinnost slunečních kolektorů je měřena v akreditovaných zkušebnách, přičemž hlavním výstupem je křivka účinnosti, která popisuje účinnost kolektoru v závislosti na rozdílu mezi teplotou pracovní kapaliny a teplotou okolního vzduchu. Tento teplotní rozdíl je často udáván jako parametr x [3], ve kterém je vydělen intenzitou toku slunečního záření při měření (obvykle 800 W.m^-2 ·K^-1).

Obecný průběh křivky účinnosti je na obr. 8.

Místo, kde křivka účinnosti protíná osu y, označuje naměřenou optickou účinnost kolektoru. Naměřená optická účinnost je nižší než skutečná, protože každý reálný kolektor má nenulový tepelný odpor. Proto, produkuje-li kolektor pracovní kapalinu o teplotě okolí (což odpovídá hodnotě 0 na ose x), je teplota absorbéru vyšší než teplota okolí a odpovídající tepelné ztráty výslednou hodnotu snižují. To dobře odpovídá výsledkům, kdy naměřená optická účinnost pro kvalitní ploché i vakuové kolektory je podobná a pohybuje se většinou těsně pod hranicí hodnoty 0,80. I když skutečná optická účinnost vakuových kolektorů je menší, není naměřená tolik snižována vlivem nižších tepelných ztrát.

Pokud má sluneční kolektor naměřenou optickou účinnost hlouběji pod hodnotou 0,80, jsou možné 2 hlavní důvody:

• Skutečná optická účinnost je nižší, což bývá většinou u kolektorů s horší hodnotou sluneční absorptivity nebo u kolektorů s odraznými prvky, neboť žádný reflektor nepracuje se stoprocentní účinností. Následkem je menší množství slunečního záření, které může být kolektorem využito k získání tepelné energie.
• Tepelný odpor kolektoru je vyšší než u srovnatelných typů. Takový kolektor pracuje soustavně s vyšší než obvyklou teplotou absorbéru a energetický zisk je snižován většími tepelnými ztrátami.

Možná je samozřejmě i kombinace uvedených faktorů.

Naměřenou optickou účinnost lze považovat z hlediska dostupnosti slunečního záření za maximální, protože měření se uskutečňuje při kolmém dopadu přímého záření a při malém podílu záření rozptýleného (okolo 20%). To do určité míry znehodnocuje využití naměřených dat u kolektorů s odraznými plochami ke kvalifikovanému odhadu celoročního energetického zisku, neboť nelze dost dobře učit, o kolik se snižuje jejich optická účinnost, je-li podíl rozptýleného záření vyšší.

Pro přímé záření je naopak měřena změna optické účinnosti při jeho šikmém dopadu (50°), který je v protokolech označován jako boční faktor. U vakuových kolektorů jsou měřeny boční faktory ve dvou směrech, a to jak pro azimut slunce, tak pro jeho výšku nad obzorem, přičemž druhá z obou složek je vždy v kolmém směru na orientaci kolektoru. Tyto hodnoty jsou málokdy uváděny v propagačních materiálech, ačkoliv jejich význam není zanedbatelný.

Se vzrůstajícím rozdílem teplot na ose x křivka účinnosti klesá, její průběh lze popsat kvadratickou rovnicí [3], jejíž parametry jsou součástí protokolu. Podle strmosti poklesu účinnosti pak můžeme posoudit kolektory dle jejich tepelných ztrát. Na obrázku 9 jsou typické průběhy křivek účinnosti pro vakuový kolektor s deskovým absorbérem a pro běžný plochý kolektor pro měření při 800 W.m^-2.

Rozdíly účinnosti v daném místě osy x se na první pohled mohou zdát při porovnávání kolektorů nepříliš významné. Zde je třeba si uvědomit, že tepelné ztráty, vyjádřené ve W.m^-2 můžeme pro daný parametr x (tedy teplotní rozdíl pracovní kapalina – teplota okolí) považovat za stejné pro jakoukoliv intenzitu dopadajícího slunečního záření. Při menších ozářeních tedy nabývá poměr výkonů porovnávaných kolektorů větších hodnot než poměr jejich naměřené účinnosti.

Energetický přínos zadní strany kolektoru

Ploché kolektory a vakuové kolektory, jež jsou zezadu odstíněny odraznou plochou, nemohou zachytit sluneční záření zadní stranou absorbéru. U ostatních vakuových kolektorů je energetický přínos zadní strany omezený, jsou-li umístěny na šikmé střeše a lze jej zhruba odhadnout kolem 1 % celkového zisku.

Při umístění na horizontální plochu (např. rovná střecha) je možnost zvýšeného energetického zisku podstatně větší. Jak bylo výše řečeno, rozptýlené záření přichází ze všech směrů. Má-li kolektor úhel sklonu 45°, dopadá z něj na čelní stranu přibližně 85%, zbytek přichází zezadu. Mnohem větší význam nabývá i záření odrazené od horizontální plochy. Podle měření se např. od travnatého povrchu odrazí zpět asi 17% z celkového slunečního záření.

Při měření kolektoru s plochým absorbérem na horizontální ploše opatřené dlažbou (úhel sklonu kolektoru 35°) byla naměřena optická účinnost 98% (absorpční vrstva byla nanesena oboustranně). Při zastíněné zadní ploše se dosáhlo obvyklé hodnoty optické účinnosti 79%. Z toho lze odhadnout v tomto případě energetický zisk zadní strany na 19%.

Podíváme-li se do fyzikálních tabulek, vidíme, že čistý měděný povrch v oboru vlnových délek viditelného záření má pohltivost na úrovni přibližně 50% absorpční vrstvy. Znamená to, že i při zachování velmi nízkých tepelných ztrát deskových vakuových kolektorů s jednostranně nanesenou absorpční vrstvou lze očekávat nezanedbatelné zvýšení energetického zisku při jejich instalaci na horizontální ploše.

Další významné vlastnosti slunečních kolektorů

• Závislost účinnosti na rychlosti větru

  Při měření účinnosti kolektorů je tato rychlost udržována na hodnotě 3 m^-1 pomocí ventilátorů. Vyšší hodnoty, časté při provozu kolektorů hlavně ve vyšších nadmořských výškách poněkud snižují možný celoroční energetický zisk. Tato závislost je významná hlavně u plochých kolektorů, u vakuových má vítr podstatně menší vliv.

• Namáhání kotvících nosných konstrukcí větrem

  Je důležité hlavně při umístění kolektorů na horizontální ploše (rovná střecha). Z tohoto důvodu jsou zde často upřednostňovány před plochými vakuové kolektory bez vnějších odrazných ploch, které kladou větru vlivem mezer mezi trubicemi menší odpor a nosná konstrukce tak může být méně robustní a tedy lacinější.

• Těsnost kolektorů

  U plochých kolektorů je tímto míněno zamezení zatékání dešťové vody mezi rámem a zasklením, případně systém řízeného odvětrávání prostoru absorbéru pro zamezení orosování vnitřní strany zasklení.

  U vakuových kolektorů jde hlavně o životnost požadovaného vakua.

  Ve všech těchto případech jsou důležité hlavně reference o daném typu kolektoru.

• Cena kolektorů

  Obecně lze říci, že čím vyšší je požadovaná průměrná pracovní teplota kolektoru a čím horší jsou klimatické podmínky, tím výhodnější je použití účinnějšího (a tedy většinou dražšího) typu kolektoru. Vždy je však nutné cenu porovnávat na jednotnou referenční plochu.

---

Dodatky

• Závislost optické účinnosti na úhlu dopadu - dodatek

  Pokles optické účinnosti η slunečních kolektorů při zvyšujícím se úhlu dopadu přímého záření θ podle obrázku 7 lze vyjádřit rovnicí

  

  Optická účinnost je u vakuových kolektorů s deskovým absorbérem závislá i na průmětu absorbéru ke směru slunečního záření (absorbér se při zvyšujícím se úhlu dopadu v jedné rovině opticky jakoby zužuje). To má trochu paradoxně vliv na relativní zvyšování optické účinnosti (např. při zvyšujícím se rozdílu azimutů slunce a kolektoru pro severojižní orientaci trubic), protože sluneční záření, které může na absorbér dopadnout, neprochází přes celý možný rozsah úhlů dopadu, daných zakřivením skleněné trubice (viz následující schema).

  

  Relativní zvyšování účinnosti bývá naměřeno u deskových vakuových kolektorů při měření tzv. bočního faktoru, který buď v azimutální rovině, nebo v rovině úhlu výšky slunce (podle orientace trubic) nabývá hodnot větších než 1.

• Definice úhlu dopadu - dodatek

  Úhel dopadu přímého slunečního záření Θ pro ploché kolektory můžeme získat ze vztahu

  

  U trubicových vakuových kolektorů je úhel dopadu přímého slunečního záření Θ definován jako úhel mezi normálou k rotační ose a slunečním paprskem v rovině, určené rotační osou kolektorové trubice a vektorem slunečních paprsků.

• Dodatek ke kapitole měření účinnosti slunečních kolektorů

  Parametr x je definován, jako rozdíl průměrné teploty pracovní kapaliny v kolektoru T_k a teploty okolí T₀, vydělený energetickým tokem globálního slunečního záření (ozáření) I, dopadajícím na kolektor.

  Je-li teplota

  

  Chceme-li porovnat účinnost dvou kolektorů, které byly měřeny při rozdílných ozářeních (např. 800 a 1000 W . m²) a má-li kolektor, měřený při nižším ozáření účinnost 0,56 při parametru x = 0,05, byla tato účinnost změřena při teplotním rozdílu pracovní kapalina -teplota okolí 0,05 . 800 = 40°C, a proto tato účinnost odpovídá parametru x = 40 / 1000 = 0,04, kdyby byl měřen při větším ozáření.

  Křivka účinnosti je v protokolu o měření uváděna ve tvaru

  

  Část předchozího vztahu

  

  vyjadřuje tepelné ztráty kolektoru.

  Chceme-li porovnat výkon dvou různých kolektorů při různých velikostech ozáření, zvolíme následující postup (oba kolektory byly např. měřeny při 800 W . m^-2 ):

  Mějme vakuový kolektor, který má při parametru x = 0,1 (tedy rozdíl teplot pracovní kapalina-okolí = 80 °C) účinnost 0,60 a naměřenou optickou účinnost 0,79.

  Průměrný plochý kolektor má při stejném parametru x účinnost 0,30 a naměřenou optickou účinnost 0,80.

  Při ozáření 800 W . m^-2 jsou optické ztráty vakuového kolektoru 800 . (1 – 0,79) = 168 W . m^-2, výkon kolektoru je 800 . 0,60 = 480 W . m^-2 a tepelné ztráty jsou 800 – 168 – 480 = 152 W . m^-2.

  Obdobně pro plochý kolektor dostaneme optické ztráty 160, výkon 240 a tepelné ztráty 400 W . m^-2.

  Výkon vakuového kolektoru je tedy dvojnásobný, což odpovídá jeho dvojnásobné naměřené účinnosti.

  Pro stejný rozdíl teplot pracovní kapalina-okolí = 80°C, avšak při nižším ozáření 500 W . m^-2 (předpokládejme stejný poměr rozptýleného záření ke globálnímu jako při měření, tedy stejnou naměřenou optickou účinnost) dostáváme:

  Pro vakuový kolektor jsou optické ztráty 500 . (1-0,79) = 105 W . m^-2, tepelné ztráty jsou stejné jako v prvním případě (stejný rozdíl teplot), tedy 152 W . m^-2 a výkon kolektoru pak bude 500 – 105 – 152 = 243 W . m^-2.

  Obdobně pro plochý kolektor dostáváme optické ztráty 100, tepelné ztráty 400 a výkon 500 – 100 – 400 = 0.

  Plochý kolektor již při těchto pracovních podmínkách teplo nedodává, poměr výkonů obou kolektorů při jiném ozáření než při měření neodpovídá poměru naměřených účinností.

Nahoru ^