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

Ilustrační příklady výpočtu

• Příklad výpočtu okamžitých hodnot energetického toku slunečního záření

  Příklady okamžitých hodnot byly vypočteny pro březnový den v jedné z nížinných oblastí při celkové denní sumě energie globálního slunečního záření 18,5 MJ/m*2 (na horizontální plochu). Tento typ dne se v březnu statisticky vyskytne pouze jednou za 10 let. Úhel sklonu kolektoru je 45°, azimut 180° (jih). Na obrázku 3 je denní průběh přímého slunečního záření na horizontální plochu, na kolektor daného úhlu sklonu a přeměněného na teplo na absorbéru (po optických ztrátách) pro vakuový (trubicový) a plochý kolektor.

  

  Hodnoty přímého záření, dopadnutého na horizontální plochu v jednotlivých hodinách dne jsou označeny červeně, modře jsou značeny hodnoty záření, dopadajícího na kolektor zadané orientace. Žlutá (vakuový kolektor) a zelená (plochý kolektor) označují energii, přeměněnou absorbérem na teplo a jsou dány optickou účinností kolektoru. Vidíme zde menší optickou účinnost plochého kolektoru oproti vakuovému při větších úhlech dopadu slunečního záření, naopak se projevuje větší optická účinnost plochého kolektoru při úhlech blízkých kolmému dopadu. V celoročním vyjádření je optická účinnost vakuového (trubicového) kolektoru vyšší relativně o cca 7%.

  

  Na obrázku 4 jsou obdobné denní chody pro rozptýlené záření. Červená křivka platí pro horizontální plochu, modrá pro plochu kolektoru a žlutá představuje opět energii, přeměněnou absorbérem na teplo. Rozdíly těchto hodnot mezi vakuovým a plochým kolektorem jsou zanedbatelné. U rozptýleného záření platí, že je maximální na horizontální plochu a se zvyšujícím se úhlem sklonu plochy jeho hodnota klesá, při sklonu 90° je poloviční.

• Příklady okamžitých hodnot teplot v zásobníku

  Jsou vypočteny pro zásobník 400 l ve stejný den a při stejné orientaci kolektorů, jako v předešlém příkladě. Horní polovina zásobníku byla rozdělena na 10 pater, vstupní voda 8°C. Vakuové kolektory – 4 rámy v sérii (3,6 m**2), ploché kolektory – 2 rámy v sérii (3,5m**2). Normála teploty vzduchu 3,8 °C.

  

  Na obrázku 5 je vidět vrstvení vody od nejvyššího patra (zelenomodrá) k teplotě prvního patra (červená) nad míchanou spodní polovinou zásobníku (modrá). Černou přerušovanou čarou je znázorněna teplota, pokud by byl promícháván celý zásobník.

  

  Na obrázku 6 je obdobný graf pro ploché kolektory.

  Na dalších dvou obrázcích (obrázek 7 pro vakuové a obrázek 8 pro ploché kolektory) je obdobný solární systém, ze kterého je však odebírána průběžně teplá voda v množství 1 patro = 20 l za hodinu s malými špičkami po dvou patrech v 9 a 14 hodin. Současně jsou u zásobníku průběžně ohřívána pomocným zdrojem 3 horní patra na teplotu 55°C, pokud je zde teplota nižší. Tato patra se nezúčastňují míchání, pokud je teplota v zásobníku pod touto teplotou.

  

  Výpočty energetických zisků solárních systémů se získají obdobnými výpočty pro náhodně uspořádané desetileté řady dnů dle statisticky zjištěných hodnot dopadnuté energie slunečního záření s ponecháním stavu zásobníku z předešlého dne.

• Příklady energetických zisků různých solárních systémů

  • Porovnání oblastí, plochého a vakuového kolektoru, vliv vrstvení vody na účinnost

    Výpočty jsou vykonány pro solární systém se zásobníkem 400 l, se čtyřmi rámy plochých nebo vakuových kolektorů v sérii, měsíc březen, teplota vstupní studené vody 8°C. Požadovaná teplota je 55°C (simulace činnosti směšovacího ventilu).

    Následující tabulka 1 potvrzuje známé závislosti při využívání sluneční energie. Zásobník nemá pomocný zdroj tepla, na konci dne se odebírá celý objem zásobníku.

    Vakuové kolektory (modré sloupce) mají podobný energetický zisk v nížinné oblasti (A, B) jako v oblasti podhorské (E, F). U plochých kolektorů je již závislost na horších klimatických podmínkách v podhorské oblasti (G, H) patrná, i když dostupnost slunečního záření byla zvolena přibližně stejná v obou oblastech.

    První z dvojice údajů v každém barevně odlišeném sloupci je pro zásobník s vrstvením vody (A, C, E, G), druhý údaj odpovídá zásobníku, kde k vrstvení nedochází (B, D, F, H). Zde je opět vidět větší závislost plochých kolektorů na průměrné pracovní teplotě solárního systému, odpovídající teplotě vody ve spodní části zásobníku.

    Povolená teplota je 80°C. V tomto případě k překročení povolené teploty nedochází. V příkladech, kde povolená teplota je překročena, je uveden údaj o tepelné energii, odpovídající ohřátí vody nad povolenou mez.

    	Nížinná oblast				Podhorská oblast
    Březen – údaje za 10 let	A	B	C	D	E	F	G	H
    Energetický zisk systému (kWh)	2364	2191	2997	2213	2342	2156	2720	2060
    Energetický zisk systému na 1 m**2 absorpční plochy	657	608	430	318	651	599	390	236
    Průměrná teplota odebrané vody	24,4	23,2	29,1	23,4	24,3	22,9	27,1	22,3
    Minimální teplota odebrané vody	8,1	9,1	8,1	8,0	8,1	8,9	8,1	8,0
    Maximální teplota odebrané vody	61,3	61,8	75,8	70,6	60,5	59,1	70,5	64,1
    Počet odebraných pater	6197	6199	6100	6188	6199	6200	6141	6196
    Počet neodebraných pater (činnost směšovacího ventilu)	3	1	100	12	1	0	59	4
    Energie získaná nad povolenou teplotou 80°C	0	0	0	0	0	0	0	0

    Tabulka 1

    Na následujících dvou obrázcích je znázorněn vliv průtoku a sériově-paralelního řazení kolektorů na vrstvení vody v zásobníku a na energetický zisk kolektorů. Jedná se opět o jasný březnový den, zásobník 400 l, na začátku s teplotou vody 8°C. Obrázek 9 je s 8 rámy sériově řazených plochých kolektorů.

    

    Modré křivky odpovídají průtoku 60 kg pracovní kapaliny za hodinu na 1 m**2 absorpční plochy (energetický zisk je za tento den 53,3 kWh). Horní křivka je pro poslední patro zásobníku, spodní pro jeho dolní část. Obdobně červená křivka je pro průtok 80 kg (energetický zisk 55,3 kWh) a žlutá pro průtok 160 kg (energetický zisk 57,2 kWh).

    Protože při nižších průtocích v horním patře dochází k překročení povolené teploty (80°C), čárkovaně je znázorněno, jak by se systém choval, kdyby byl zásobník opatřen malým čerpadlem, které by přečerpávalo při dosažení teploty 80°C vodu z horní části zásobníku do jeho spodní části a jeho obsah promíchávalo.

    Na obrázku je patrné, že při nedostatečném průtoku dochází k příliš velkému vrstvení vody, voda se v horní části přehřívá a tepelná kapacita zásobníku není využita. I když je teplota ve spodní části zásobníku je nízká, účinnost kolektorů klesá, neboť i při nízké vstupní teplotě pracovní kapaliny do kolektorů dochází při sériovém řazení kolektorů a malém průtoku k příliš vysokému nárůstu její teploty.

    Na obrázku 10 je znázorněna obdobná závislost, máme-li dvojice kolektorových rámů řazeny do čtyř paralelních větví.

    

    Modré křivky opět odpovídají průtoku 60 kg pracovní kapaliny za hodinu na 1 m**2 absorpční plochy (denní energetický zisk 58,1 kWh), červené průtoku 80 kg (energetický zisk 57,9 kWh) a žluté průtoku 160 kg (energetický zisk 57,6 kWh). Vidíme, že vrstvení vody je dostatečné a přitom je využita tepelná kapacita zásobníku. Energetické zisky jsou vyšší než u sériového řazení, pokud zde nezabezpečíme dostatečný průtok pracovní kapaliny.