Účinnost a výkon solárního kolektoru

4. 6. 2014

Uvádění účinnosti kolektoru

Účinnost kolektoru je charakterizována křivkou ve tvaru paraboly. Zásadně nelze uvádět jedinou hodnotu účinnosti solárního kolektoru bez uvedení okrajových podmínek, při kterých byla stanovena (teplota teplonosné kapaliny, teplota venkovního vzduchu a sluneční ozáření. Někteří výrobci uvádí pouze hodnotu maximální účinnosti tzv. účinnosti při nulových tepelných ztrátách, kdy střední teplota teplonosné kapaliny v kolektoru je rovna teplotě okolí a nedochází tedy k tepelným ztrátám z kolektoru do okolí. V běžných aplikacích se této hodnoty při provozu dosáhne zřídkakdy, neboť to znamená zajistit na vstupu do kolektoru v každém případě teplotu nižší než je teplota okolního vzduchu. Kolektor pak získává teplo nejen ze slunečního záření, ale částečně také z okolního vzduchu. taková "informace" o účinnosti kolektoru má sama o sobě spornou vypovídající hodnotu, neříká nic o tepelně technických vlastnostech kolektoru ani o reálné provozní účinnosti kolektoru.

Uvádění výkonu kolektoru

Výkon solárních kolektorů, na rozdíl od tradičních zdrojů energie, je silně ovlivněn klimatickými podmínkami (venkovní teplota, sluneční ozáření) a provozními podmínkami (teplota kapaliny v kolektorech) a je proto nutné jej stanovit a uvádět, podobně jako účinnost, za jasně definovaných okrajových podmínek.

Křivka výkonu solárního kolektoru se standardně uvádí při G (sluneční ozáření) = 1000W/m² v závislosti na rozdílu teplot mezi kapalinou a okolním vzduchem, viz obr. Křivka jednoznačně definuje výkon celého solárního kolektoru při daných provozních podmínkách. Uvádění křivky výkonu solárního kolektoru má tu výhodu, že oproti křivkám účinnosti je vyjádřena pro celý kolektor jako jediná bez vlivu volby vztažné plochy (absorbér, apertura, obrysová plocha). na druhé straně výkonovými křivkami nelze porovnat kvalitu dvou různě velkých kolektorů. Podobně jako u fotovoltaických zařízení vznikla i v oblasti solárních tepelných kolektorů časem potřeba uvádět instalovaný výkon solárních kolektorů a soustav.

Obr.: Křivka tepelného výkonu solárního kolektoru

Instalovaný výkon je určen bez ohledu na sklon či orientaci kolektoru, předpokládá se kolmý dopad paprsků na aperturu kolektoru, podobně jako např. u biomasy je jmenovitý výkon kotle stanoven pro referenční palivo. maximální či špičkový výkon kolektoru se stanovuje zejména pro navrhování pojistných zařízení solárních soustav. Norma ČSN EN 12975-2 definuje špičkový výkon solárního kolektoru jako jeden z výsledků zkoušky výkonu uváděných v protokolu. Stanov se na základě zkoušky v ustáleném stavu podle vztahu.

Křivky účinnosti různých druhů kolektorů

Na trhu v ČR jsou dostupné různé druhy solárních tepelných kolektorů o různé kvalitě. Tabulka uvádí typické konstanty různých konstrukčních druhů solárních kolektorů. V grafu jsou pak znázorněny typické křivky účinnosti základních druhů solárních kolektorů, vyjádřené v závislosti na teplotním spádu pro hodnotu lunečního ozáření 1000 W/m2. V grafu jsou zároveň vyznačeny typické rozsahy provozních teplotních rozdílů mezi střední teplotou kapaliny a okolním vzduchem v základních aplikacích.

Nezasklené kolektory se vyznačují vysokou optickou účinností, na druhé straně vysokými tepelnými ztrátami, výrazně ovlivněnými rychlostí proudění okolního vzduchu (větru). Křivka účinnosti proto z vysokých hodnot rychle klesá a při teplotním spádu mezi kolektorem a okolím nad 30 K již kolektor není schopen produkovat teplo. Při vyšších rychlostech proudění účinnost klesá ještě výrazněji. Naproti tomu u kvalitních solárních kolektorů s nízkými tepelnými ztrátami (selektivní absorbér, vakuový kolektor) klesá účinnost s rostoucím teplotním spádem velmi pomalu.

Typ kolektoru	η₀ [-]	a₁ W/ (m².K)	a₂ (W/ (m².K²)
Nezasklený	0,85	20	-
Plochý neselektivní	0,75	6,5	0,030
Plochý slektivní	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

Tab.: Parametry křivek účinnosti typickyých zástupců druhů solárních kolektorů

Obr.: Křivky účinnosti nejběžnějších druhů solárních kolektorů

Ze srovnání křivek vyplývají některé zásady použití solárních kolektorů v daných aplikacích. Pro sezónní ohřev bazénové vody nemá smysl používat drahé trubkové vakuové kolektory vykazující v nízkoteplotních hladinách dokonce nižší účinnost než levné nezasklené nebo zasklené neselektivní kolektory. V oblasti přípravy teplé vody a vytápění jsou trubkové vakuové kolektory a atmosferické ploché kolektory z hlediska účinnosti vztažené k ploše apertury srovnatelné. pro průmyslové aplikace s vysokými provozními teplotami je nutné využít kolektory s velmi nízkou tepelnou ztrátou, např. trubkové vakuové kolektory nebo ploché kolektory s dvojitým zasklením.

Optická charakteristika - modifikátor úhlu dopadu

Rovnice křivek účinnosti a výkonu vycházejí z výsledků zkoušek tpelného chování solárního kolektoru za definovaných podmínek: jasný den s výraznou přímou složkou slunečního záření a kolmý úhel dopadu slunečního záření na rovinu kolektoru. Takové podmínky však v běžném provozu solárního kolektoru nejsou časté, úhel dopadu slunečních paprsků na kolektory je obecně různým vlivem proměnlivé geometrie slunečního záření během dne a roku a podíl přímého záření je proměnlivý a závislý na oblačnosti. Křivka účinnosti, resp. výkonu solárního kolektoru, pro komplexní charakterizaci jeho výkonnosti proto nestačí.

Ploché solární kolektory (ploché zasklení, plochý absorbér) mají optické vlastnosti v obou hlavních rovinách (podélné, příčné) symetrické. Prakticky tedy není důležité, ze které strany sluneční záření dopadá na kolektor, pouze hodnota úhlu dopadu. U trubkových solárních kolektorů je nutné podrobné stanovení hodnot modifikátoru v příčné rovině. V podélné rovině má křivka modifikátoru trubkového kolektoru stejný tvar jako u plochých kolektorů.

Obr.: Typické tvary charakteristik modifikátoru úhlu dopadu pro trubkové kolektory s válcovým absorbérem bez reflektoru a s reflktorem

Tvar křivky modifikátoru je ovlivněn především tvarem absorbéru. U trubkového kolektoru s plochým absorbérem nejsou rozdíly mezi optickou charakteristikou v podélné a příčné rovině významné. Naproti tomu u válcového absorbéru může být nárůst značný. Platí to nejen u zasklených kolektorů, ale i nezasklených. Bazénové absorbéry tvořené trubičkami budou mít vyšší maxima než ploché rohože.

Tepelná setrvačnost kolektoru

Tepelná setrvačnost solárního kolektoru ovlivňuje jeho okamžitý výkon při proměnlivých podmínkách a může mít určitý vliv na využití solárních zisků zvláště ve středoevropských klimatických podmínkách. tepelnou setrvačnost solárního kolektoru je možné vyjádřit různými způsoby, nejčastěji určením jeho tepelné kapacity nebo časové konstanty.

Tepelná kapacita

Kolektor může být obvykle uvažován jako kombinace hmot, z niichž každá má rozdílnou teplotu. Je-li kolektor v provozu, každá jeho součást reaguje rozdílně na změnu provozních podmínek, takže je účelné uvažovat účinnou tepelnou kapacitu pro celý kolektor. Účinná tepelná kapacita však závisí na provozních podmínkách a není konstantní hodnotou

Součásti kolektoru	p_{i - váhový součinitel pro i-tou součást kolektoru}
Absorbér	1,0
Tepelná izolace	0,5
Teplonosná kapalina	1,0
Vnější zasklení	0,01.a₁
Druhé zasklení	0,2.a₁
Třetí zasklení	0,3.a₁

Tab.: Hodnoty váhových součinitelů pro určení tepelné kapacity kolektorů

Časová konstanta kolektoru

Časová konstanta vyjadřuje tepelnou setrvačnost kolektoru jako rychlost odezvy na změnu provozních podmínek vlivem tepelné kapacity jeho částí. Je definována jako čas potřebný ke změně teploty teplonosné látky na výstupu z kolektoru z konečného rozdílu mezi původní teplotou a konečnou ustálenou teplotou po náhlé změně dopadajícího slunečního záření. Časová konstanta se stanovuje experimentálně za ustálených podmínek s konstantní vstupní teplotou teplonosné látky blízkou teplotě okolí podle normového postupu. Solární kolektor je náhle zastíněn od dopadajícího slunečního záření a je sledován pokles výstupní teploty jako funkce času, nebo naopak stíněný kolektor v ustáleném stavu je náhle vystaven slunečnímu záření a sledován je nárůst výstupní teploty na novou ustálenou hodnotu. Časová konstanta závisí na provozních podmínkách, především na průtoku teplonosné kapaliny kolektorem. Hodnoty časové konstanty běžných solárních kolektorů se pohybují řádově v minutách. Je tedy možné jejich chování pro výpočty solárních soustav s výhodou popisovat stacionárními modely.

Autor článku: Tomáš Matuška, použitá publikace Solární zařízení v příkladech, nakladatelství Grada

Rozdělili jsme více než 45 článků nabitých informacemi o střechách do přehledných témat, která vám
rychle pomohou se v problematice vyznat. Nestrácejte čas hledáním a mějte vše na jednom místě.