Parametry solárních kolektorů

následující text předchozí text

Pro účely energetických výpočtů solárních soustav a hodnocení výkonnosti solárních kolektorů je nezbytné, stejně jako u jakéhokoliv jiného zdroje tepla, mít k dispozici základní technické parametry. Ty se získávají standardizovanými zkouškami a popisují tepelné a optické chování kolektoru za definovaných podmínek. Jde především o křivku tepelného výkonu kolektoru, případně z ní odvozenou křivku účinnosti, a křivku modifikátoru úhlu dopadu vyjadřující závislost účinnosti solárního kolektoru na úhlu dopadu slunečního záření.

Vztažná plocha

U solárních kolektorů se rozlišují celkem tři plochy, ke kterým se vztahují parametry, především účinnost kolektoru, viz obr. 7 a obr. 8:

• plocha absorbéru A_A - plocha, na které dochází k přeměně slunečního záření v teplo;
• plocha apertury A_a - plocha průmětu otvoru, kterým vstupuje do kolektoru nesoustředěné sluneční záření, zpravidla plocha průmětu zasklení nebo reflektoru;
• celková obrysová (hrubá) plocha A_G - plocha průmětu celkového obrysu solárního kolektoru.

Obr. 7 - Definice plochy apertury a absorbéru solárních kolektorů: A) plochý; B) trubkový s plochým
absorbérem; C) trubkový s válcovým absorbérem; D) trubkový s válcovým absorbérem a reflektorem

Obr. 8 - Definice plochy apertury a obrysové plochy solárních kolektorů: A) plochý; B) trubkový s plochým
absorbérem; C) trubkový s válcovým absorbérem; D) trubkový s válcovým absorbérem a reflektorem

Dodavatelé solárních kolektorů někdy uvádějí z marketingových důvodů plochu absorbéru a k ní vztaženou křivku účinnosti, protože v grafickém porovnání leží křivka účinnosti podle absorbéru nejníže. Plocha absorbéru je totiž zpravidla menší než plocha apertury nebo plocha obrysová. Obecně se však plocha absorbéru nepoužívá jako vztažná z řady praktických důvodů, především:

• nelze ji změřit bez poničení kolektoru (narozdíl od apertury);
• je různě definovaná pro různé typy kolektorů (narozdíl od apertury), navíc pro koncentrační trubkové kolektory s reflektorem není normou jasně definovaná;

Evropské normy a certifikační systémy (např. Solar Keymark, Modrý anděl, aj.) používají jako vztažnou plochu pro solární kolektory zásadně plochu apertury. Vztažení křivky účinnosti k ploše apertury kolektoru je vhodné z hlediska porovnání vlastností dvou kolektorů, konstrukce a kvality provedení, nicméně nevhodné z hlediska rozhodování o potenciálu kolektoru pro danou aplikaci či pro porovnání kolektorů s různými účinnými plochami.

Vyhodnocování účinnosti kolektoru vztažené k obrysové ploše kolektoru AG, tedy ke skutečné ploše, kterou kolektor zaujímá v prostoru (na střeše, na terénu, apod.) však investora zajímá při analýze potenciálu využití sluneční energie na konkrétním místě instalace. Zejména trubkové vakuové kolektory bez reflektoru vykazují výrazný podíl neúčinné plochy na celkové ploše zastavěné kolektorem na střeše (cca 40 %), zvláště v porovnání s plochými kolektory (cca 10 %). V případě omezeného prostoru pro instalaci solárních kolektorů, např. u bytových domů, může dojít k situaci, že na ploše, která je pro instalaci k dispozici, lze plochými kolektory zajistit vyšší výkony a celkové zisky než s trubkovými vakuovými kolektory bez reflektoru.

Výkon a účinnost

Výkon solárního kolektoru se stanovuje z měření průtoku teplonosné kapaliny kolektorem a rozdílu teplot mezi vstupem a výstupem kolektoru

kde

hmotnostní průtok teplonosné kapaliny kolektorem, v kg/s;
c měrná tepelná kapacita teplonosné kapaliny, v J/(kg K);
t_k1 teplota na vstupu do solárního kolektoru, ve °C;
t_k2 teplota na výstupu ze solárního kolektoru, ve °C.

Účinnost solárního kolektoru η je za ustálených podmínek definována jako poměr tepelného výkonu odváděného teplonosnou kapalinou z kolektoru k "příkonu" slunečního záření (zářivému toku) dopadajícího na kolektor

kde

G sluneční ozáření, ve W/m²;
A_k vztažná plocha kolektoru, v m².

Účinnost solárního kolektoru je závislá na venkovních klimatických podmínkách (sluneční ozáření G, venkovní teplota t_e) a provozních podmínkách (střední teplota teplonosné kapaliny t_m). Vyhodnocuje se experimentální zkouškou v souladu s ČSN EN 12975 [1] jako křivka 2. řádu ve tvaru

kde

η₀ je účinnost solárního kolektoru při nulovém teplotním spádu mezi střední teplotou teplonosné kapaliny tm a okolím te (nulové tepelné ztráty), zjednodušeně označována jako "optická účinnost";
a₁ lineární součinitel tepelné ztráty kolektoru, ve W/(m² K);
a₂ kvadratický součinitel tepelné ztráty kolektoru (vyjadřuje teplotní závislost), ve W/(m² K²);

Graficky se křivka zobrazuje v obecné závislosti na středním redukovaném teplotním spádu (t_m - t_e)/G. Účinnost, resp. křivka účinnosti (konstanty η₀, a₁, a₂) solárního kolektoru musí být vždy uváděna společně se vztažnou plochou kolektoru A_k, ke které byla vztažena. Člen η₀ je účinnost kolektoru při nulovém teplotním rozdílu mezi kapalinou a okolím, tedy při maximálním omezení tepelných ztrát. Vyjadřuje optickou kvalitu kolektoru (propustnost zasklení, pohltivost absorbéru) a zároveň schopnost kolektoru odvést teplo z povrchu absorbéru do teplonosné kapaliny. Často se označuje jako optická účinnost kolektoru. Členy a₁ a a₂ pak vyjadřují tepelné ztráty kolektoru, tedy sklon a zakřivení křivky účinnosti (lineární a kvadratický charakter).

Křivka účinnosti je nejčastěji citovaný parametr solárního kolektoru a dodavatel, který ji nedokáže prokázat protokolem ze zkoušky v akreditované laboratoři, vlastně zákazníkovi nemůže podat informaci o energetické kvalitě kolektoru a jeho potenciálním tepelném výkonu. V grafu na obr. 9 jsou znázorněny typické křivky účinnosti základních druhů solárních kolektorů, vyjádřené v závislosti na teplotním spádu pro hodnotu slunečního ozáření 800 W/m². Nezasklené kolektory se vyznačují vysokou optickou účinností, na druhé straně vysokými tepelnými ztrátami, výrazně ovlivněnými rychlostí proudění okolního vzduchu (větru). Naproti tomu u kvalitních solárních kolektorů s nízkými tepelnými ztrátami (selektivní absorbér, vakuový kolektor) klesá účinnost s rostoucím teplotním spádem výrazně méně. V grafu jsou vyznačeny typické rozsahy provozních teplotních rozdílů mezi teplonosnou kapalinou a okolním vzduchem v základních aplikacích.

Z jednoduchého porovnání křivek vyplývá použití jednotlivých druhů solárních kolektorů v daných aplikacích. Pro sezónní ohřev bazénové vody nemá smysl používat drahé trubkové vakuové Sydney kolektory vykazující v nízkoteplotních hladinách dokonce nižší účinnost než levné nezasklené kolektory. V oblasti přípravy teplé vody a vytápění jsou trubkové vakuové kolektory a atmosférické ploché kolektory z hlediska účinnosti vztažené k ploše apertury srovnatelné. Pro průmyslové aplikace s vysokými provozními teplotami jsou nutné kolektory s velmi nízkou tepelnou ztrátou (trubkové vakuové, případně kvalitní koncentrační kolektory).

Obr. 9 - Typické křivky účinnosti různých druhů solárních kolektorů

Tepelný výkon solárního kolektoru je dán vztahem

Výkon kolektoru se vyhodnocuje jako závislost na teplotním rozdílu (t_m - t_e) při referenční hodnotě slunečního ozáření G = 1000 W/m². Uvádění křivky výkonu solárního kolektoru má tu výhodu, že oproti křivkám účinnosti je vyjádřena pro celý kolektor bez vlivu volby vztažné plochy (absorbér, apertura, obrysová plocha). Na druhé straně výkonovými křivkami nelze porovnat energetickou kvalitu dvou různě velkých kolektorů.

Pro uvádění instalovaného výkonu solárního kolektorového pole jsou definovány podmínky: G = 1000 W/m², t_e = 20 °C, t_m = 50 °C [2]. 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. Pro orientační stanovení instalovaného výkonu solárních soustav bez ohledu na konkrétní použitý typ kolektoru a konkrétní typ aplikace se ve statistických šetřeních používá hodnota 700 W/m² apertury kolektoru.

Modifikátor úhlu dopadu

Uvedené vyjádření křivky účinnosti a výkonu solárních kolektorů vychází z výsledků zkoušek tepelného chování solárního kolektoru v ustáleném stavu za definovaných podmínek: jasný den s výraznou přímou složkou slunečního záření a kolmý (normálový) 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 různý vlivem proměnlivé geometrie slunečního záření během dne a roku a podíl přímého záření je závislý na oblačnosti. Křivka účinnosti, resp. výkonu solárního kolektoru pro komplexní charakterizaci jeho výkonnosti proto nestačí. Křivku účinnosti je nutné doplnit závislostí vyjadřující změnu účinnosti kolektoru s úhlem dopadu slunečního záření oproti kolmému úhlu dopadu. Takovou závislostí je křivka modifikátoru úhlu dopadu K_θ, někdy označovaného také IAM (z angl. zkratky Incidence Angle Modifier), která vyjadřuje optickou charakteristiku kolektoru. Modifikátor úhlu dopadu je definován jako poměr optické účinnosti při obecném úhlu dopadu k optické účinnosti při kolmém úhlu dopadu

Křivka modifikátoru v závislosti na úhlu dopadu se experimentálně vyhodnocuje v souladu s ČSN EN 12975 v podélné (K_δL) a příčné (K_δT) rovině. Ploché opticky symetrické solární kolektory mají obě křivky modifikátoru totožné, tvar optické charakteristiky je předvídatelný a pro různé typy plochých kolektorů se liší v rozsahu několika procent. Proto se zkouškou stanovuje hodnota modifikátoru pouze pro úhel 50°. U opticky nesymetrických solárních kolektorů, jako jsou jednostěnné nebo dvojstěnné trubkové vakuové kolektory, je nutné podrobné stanovení hodnot pro získání křivky modifikátoru zvláště v příčné rovině. V podélné rovině má křivka modifikátoru trubkového kolektoru obdobný tvar jako u plochých kolektorů.

Obr. 10 - Optické charakteristiky pro ploché kolektory a trubkové kolektory s plochým absorbérem

Obr. 11 - Optické charakteristiky pro trubkové kolektory s válcovým absorbérem bez reflektoru (vlevo) a s reflektorem (vpravo)

Závislost optické účinnosti na úhlu dopadu slunečního záření se u různých typů kolektorů obecně liší. Na obr. 10 jsou uvedeny typické průběhy křivky modifikátoru úhlu dopadu pro plochý kolektor (ploché zasklení, plochý absorbér) a trubkový solární kolektor s plochým absorbérem (válcová apertura). Na obr. 11 jsou uvedeny typické průběhy křivky modifikátoru úhlu dopadu pro trubkové solární kolektory s válcovým absorbérem bez reflektoru a s reflektorem. Zvýšení hodnot modifikátoru v oblasti úhlů 50 až 60° je u různých konstrukcí kolektoru (různý průměr trubek, vzdálenost trubek, ...) různé a pohybuje se od hodnoty 1,2 až do 1,6. U trubkových kolektorů s reflektorem se pro různé konstrukce může tvar křivky příčného modifikátoru K_θ,T pohybovat mezi oběma variantami na obr. 11.

Obr. 12 - Porovnání průběhu výkonu kolektoru s plochým a válcovým absorbérem (t_m = 40 °C)

Modifikátor úhlu dopadu umožňuje zohlednit vliv optické charakteristiky solárního kolektoru (tvar apertury, tvar absorbéru, tvar reflektoru, aj.) na jeho výkon (tepelný zisk) solárního kolektoru pro obecnou geometrii (sklon, azimut, úhel dopadu) a podmínky slunečního záření (přímé, difúzní, odražená složka). Charakteristika modifikátoru úhlu dopadu se používá především v počítačových simulacích solárních soustav. Modifikátor K_θ umožňuje zohlednit vyšší zisky některých typů solárních kolektorů s trubkovým absorbérem v dopoledních a odpoledních hodinách oproti kolektorům s plochým absorbérem. Na obr. 12 jsou znázorněny průběhy měrného výkonu plochého atmosférického a trubkového vakuového kolektoru s válcovým absorbérem s typickou charakteristikou účinnosti. Trubkový vakuový kolektor těží nejen z optických vlastností válcové plochy apertury a absorbéru, ale také z vyšší "citlivosti" na nízké hladiny slunečního ozáření vlivem výrazně nižších tepelných ztrát. Nicméně tyto výhody mohou být "kompenzovány" často výrazně nižší hodnotou η₀(0°) a nižším výkonem v okolí poledne oproti plochému kolektoru.

Výkonnost

Investora, který se rozhoduje a vybírá mezi kolektory na trhu, zajímá kromě ceny především výkonnost solárního kolektoru, tedy schopnost kolektoru produkovat energetický zisk za typických místních klimatických a provozních podmínek v uvažované aplikaci. Jedním z přístupů jak hodnotit výkonnost solárních kolektorů je simulační výpočet na základě křivky účinnosti, křivky modifikátoru úhlu dopadu kolektoru a databáze hodinových údajů o klimatických podmínkách (sluneční ozáření G, venkovní teplota t_e) a provozních podmínkách (provozní teplota t_m) [3, 4]. Na obr. 13 jsou porovnány roční měrné zisky pro celoročně konstantní teplotu kapaliny 40 °C pro rozmanité konstrukční varianty solárních kolektorů od plochého neselektivního kolektoru (PK1), přes běžný kvalitní plochý kolektor (PK3, referenční), trubkový vakuový s plochým absorbérem (TP1) po trubkové vakuové s válcovým absorbérem bez reflektoru (TV1-TV4) a reflektorem (TR1-TR3). Tepelné zisky solárních kolektorů jsou vztaženy jednak k ploše apertury (aby bylo možné srovnat obdobné konstrukce mezi sebou, modrá barva) a jednak k obrysové ploše (aby bylo možné srovnat tepelný zisk ze skutečně zabrané plochy na střeše, šedá barva). Výběr kolektorů reprezentuje výkonnostní kvalitu dostupnou na trhu v ČR a Evropě. Z porovnání vyplývá výrazná variabilita energetické kvality různých trubkových vakuových kolektorů s válcovým absorbérem a její dopad na potenciální tepelné zisky trubkových solárních kolektorů, které v řadě případů mohou být lepší než u plochých kolektorů, ale v řadě případů dostupných na trhu také výrazně horší. Při srovnávání energetické kvality solárních kolektorů proto nelze paušálně označit určitý konstrukční typ za více či méně ziskový v porovnání s jinými bez znalosti základních parametrů (křivka účinnosti a křivka modifikátoru) a konkrétního účelu aplikace (provozní teplota) a způsobu hodnocení (referenční plocha).

Obr. 13 - Roční teoretické měrné zisky srovnávaných solárních kolektorů podle apertury (modrá) a podle obrysové plochy (šedá)

Závěrem

Současný trh se solárními kolektory v ČR je velmi různorodý z hlediska kvality nabízených výrobků a tomu ne vždy odpovídajících cen. Běžný zájemce a potenciální investor se může jen obtížně zorientovat v nabídce a zodpovědně vybrat ten správný a účinný kolektor pro uvažovanou aplikaci. Nicméně, zákazník by měl po dodavateli vyžadovat protokol o zkouškách provedených v souladu s ČSN EN 12975 (nejen výkonových, ale i spolehlivostních), které sice nejsou pro vstup kolektoru na trh povinné (norma není harmonizována), ale bez jejich provedení dodavatel nemůže poskytnout informaci o tom, zda kolektor na střeše vydrží více než jednu sezónu a kolik energie vlastně vyprodukuje. Jakékoli jiné "certifikáty" a "osvědčení" jsou spíše zavádějící, neboť o vlastnostech kolektoru zpravidla nic neříkají. Zvláště pak v oblasti dotačních titulů na solární zařízení by mělo platit, že veřejné podpory jsou hodny pouze ty výrobky, u kterých je kvalita prokazatelná dokumentem z některé z akreditovaných zkušeben, která jsou ovšem schopny všechny potřebné zkoušky solárních kolektorů realizovat. V ČR taková zkušebna zatím není.

Odkazy

[1] ČSN EN 12975-2 Tepelné solární soustavy a součásti - Solární kolektory - Část 2: Zkušební metody, ČNI, 2006.
[2] Nielsen, J. E.: Recommendation - Converting solar thermal collector area into installed capacity (m2 to kWth), IEA Technical Note on New Solar Thermal Statistics Conversion, dostupné z www.iea-shc.org, 2004.
[3] Matuška, T.: Hodnocení výkonnosti solárních kolektorů, Sborník konference Alternativní zdroje energie 2010 Kroměříž, str. 151-158.
[4] Matuška, T.: Nástroj pro hodnocení výkonnosti solárních kolektorů VYKON_SK.

následující text předchozí text