Solární laboratoř Ústavu techniky prostředí Fakulty strojní ČVUT v Praze
Pro účely zkoušení solárních kolektorů v rámci laboratorní výuky a výzkumu obnovitelných zdrojů tepla na Ústavu techniky prostředí Fakulty strojní ČVUT v Praze vybudována Solární laboratoř (SOLAB). Solární laboratoř zajišťuje zkoušky týkající se tepelných vlastností kolektoru, především zkoušky tepelného výkonu, modifikátoru úhlu dopadu (optické charakteristiky) a časové konstanty kolektoru.
Historie
Solární laboratoř vznikala postupně již od konce 70. let minulého století. Impulsem byl tehdejší rozvoj solární techniky a vývoj plochého parabolického koncentračního kolektoru Winstonova typu [2]. Jeho výkonové parametry byly změřeny přímo na tehdejší Katedře techniky prostředí, tenkrát ještě na ochozu v 8. podlaží (viz obr. 1).
Obr. 1 Zkoušení solárních kolektorů na přelomu 70. a 80. let na ochozu Fakulty strojní.
Obr. 2 Rekonstrukce střechy budovy B1 (Fakulta strojní) a montáž zkušební plošiny.
V polovině 90. let byla na střeše 8. podlaží vybudována plošina (viz obr. 2), na které byla instalována jednoduchá solární soustava s kolektorem Ekosolaris Start, ovšem bez stálého monitorování. Okruh teplé vody (zásobník) byl trvale napojen na rozvod teplé vody jedné ze stoupaček budovy fakulty (blok B1). V roce 1996 byl na solární soustavu namontován kompaktní měřič tepla a instalován další solární kolektor Ekosolaris Therma (viz obr. 3). Byly tak monitorovány pouze zisky solárních kolektorů, nikoliv však další meteorologické údaje nutné pro vyhodnocení jejich provozu. Nicméně, vybavení Solární laboratoře začalo být postupně využíváno pro řešení diplomových a disertačních prací.
Po roce 1999 byla z grantových prostředků [3, 4] zakoupena měřicí ústředna pro měření a archivaci meteorologických údajů a údajů naměřených na solární soustavě a začaly první pokusy se zkoušením solárních kolektorů pro výzkumné účely [5–7]. Postupně se rozrůstala měřicí ústředna i vybavení laboratoře. V současné době využívaná měřicí trať s akumulačními nádobami byla vybudována v letech 2003 až 2009 v rámci řady výzkumných projektů [8, 9].
Obr. 3 Podoba solární laboratoře v letech 1999–2003 (vlevo: plošina s jednou otočnou a jednou pevnou nosnou konstrukcí, vpravo: solární a elektrický ohřívač vody).Pro výzkumnou činnost v oblasti využití sluneční energie na Ústavu techniky prostředí je experimentální zkoušení tepelných a optických charakteristik solárních kolektorů stěžejní aktivitou při vývoji nových typů kolektorů a ověřování matematických modelů v oblasti solární tepelné techniky. Výsledky zkoušení komerčních kolektorů přináší nové podněty k výzkumu v této oblasti. Měřicí trať je zároveň využívána pro experimentální výuku na Fakultě strojní v předmětu Experimentální metody.
Měřicí trať pro zkoušení tepelného výkonu
Návrh současné koncepce měřicí tratě Solární laboratoře vycházel z požadavků normy pro zkoušku solárních kolektorů v ustáleném stavu ve venkovním prostředí [1], především:
- minimální sluneční ozáření 700 W/m2;
- konstantní sluneční ozáření (maximální změna ±50 W/m2);
- kolmý dopad slunečního záření na plochu solárních kolektorů (odchylka úhlu dopadu od normály ±20°);
- konstantní teplota na vstupu do solárních kolektorů (maximální kolísání v průběhu měřicího cyklu ±0,1 K).
První tři podmínky vymezují dobu zkoušky ve venkovním prostředí okolo slunečního poledne:
- v období měsíců březen–duben, srpen–září cca od 11:00 do 13:00 h slunečního času při sklonu kolektorů 45°;
- v období měsíců květen–červenec cca od 10:40 do 13:20 h slunečního času při sklonu kolektorů 30°.
Z výše uvedeného vyplývá, že solární kolektory mohou být zkoušeny pouze během relativně krátkého časového úseku dne. Při uvážení požadavku na dobu přípravy vzorku (15 minut nebo 4násobek časové konstanty kolektoru) při změně okrajových podmínek měření a požadavku na ustálený stav (10 minut nebo 4násobek časové konstanty kolektoru) bylo zřejmé, že vlastní koncept měření musí poskytnout rychlou změnu okrajových podmínek a zajištění ustáleného stavu v krátkém časovém intervalu. Ve snaze maximálně využít příhodných klimatických podmínek pro zkoušku bylo nutné, aby koncept umožnil stanovení 4 různých okrajových teplotních podmínek zkoušky během jednoho dne (minimální počet bodů pro stanovení křivky účinnosti při kompletní zkoušce).
Obr. 4 Současná podoba venkovní části Solární laboratoře (nosné konstrukce s kolektory, meteorologická stanice, připojení a odvzdušnění).Pro měřicí trať byl navržen koncept dvou paralelních zkušebních okruhů zapojených do tří akumulačních zásobníků s podporou teplotního vrstvení. Dva zkušební okruhy umožňují zkoušet dva různé solární kolektory při identických klimatických a provozních podmínkách a jsou určeny především pro experimentální porovnání dvou různých vývojových konceptů solárních kolektorů v rámci výuky a výzkumu na Ústavu techniky prostředí. Nosné konstrukce, na které se zkoušené solární kolektory uchycují, lze na plošině operativně natáčet vůči světovým stranám a sklápět okolo vodorovné osy (změna sklonu kolektorů 0° až 75°), viz obr. 4. Obě nosné konstrukce jsou určeny pro solární kolektory s maximálním rozměrem 2,5 × 2 m, tedy pro naprostou většinu vyráběných maloplošných solárních kolektorů.
Každý ze tří akumulačních zásobníků instalovaných ve zkušebním okruhu má objem 400 l. Zásobníky jsou konstrukčně řešeny jako ocelové nádoby se dvěma dělicími přepážkami (mezi horní a střední částí, mezi střední a dolní částí), viz obr. 5. Dělicí přepážky mají ve svislé ose nádoby otvor (propojení vodních prostorů zásobníku). Přepážky podporují teplotní vrstvení v zásobníku a eliminují vliv teplejší přitékající vody z kolektorů na teplotu vody přiváděné z dolní části zásobníku do kolektorů. V horním a středním prostoru každého zásobníku jsou instalovány vnitřní výměníky každý o ploše 1,5 m2 pro chlazení teplonosné kapaliny (vody) externím chladicím systémem. Každý zásobník je opatřen vlastním elektrickým otopným tělesem o výkonu 6 kW v dolní části zásobníku, tepelnou izolací tl. 120 mm, míchací skupinou s cirkulačním čerpadlem, vlastním pojistným ventilem a expanzní nádobou, odvzdušněním, manometrem, vypouštěním a jímkami pro teplotní čidla v 6 úrovních.
Obr. 5 Nákres konstrukčního provedení akumulačních zásobníků a jejich umístění v laboratoři.Míchací skupina zásobníku propojuje objem tří částí zásobníku oddělených přepážkami vnějším míchacím okruhem s cirkulačním čerpadlem. Na každém vstupu míchacího okruhu do zásobníku jsou umístěny zpětné klapky pro zamezení samovolné cirkulace vlivem rozdílu teplot (v době mimo funkci cirkulačního čerpadla). Míchací skupina promíchává objem zásobníku při ohřevu nebo chlazení zásobníku na požadovanou teplotní úroveň a zajišťuje homogenní teplotní podmínky v zásobníku před zahájením odběru teplonosné kapaliny pro účely zkoušky. Rozdíly mezi teplotami v horní a spodní části zásobníku jsou do 0,1 K od střední teploty zásobníku.
Akumulační zásobníky slouží pro:
- přednastavení různé teplotní úrovně teplonosné kapaliny během zkoušek;
- zajištění konstantní teploty na vstupu do solárních kolektorů po dobu zkoušky;
- akumulaci teplejší teplonosné kapaliny (vody) přitékající ze solárních kolektorů v horní části zásobníku v době přípravy a vlastní zkoušky.
Schéma zapojení měřicí trati je uvedeno na obr. 6. Na společné části měřicí trati jsou instalována paralelně dvě oběhová čerpadla (jedno záložní) se zpětnou klapkou. Na každém z měřicích okruhů je instalován regulátor průtoku pro nastavení a udržování konstantního průtoku okruhem při změně tlakových ztrát vlivem změny teploty kapaliny, indukční průtokoměr, uzavírací kohouty a odvzdušňovací prvky. Vnitřní rozvody měřicích okruhů jsou vyvedeny na venkovní část fasády laboratoře, kde se připojují venkovní rozvody potrubí z pružných hadic s nerezovým opláštěním. Připojení ke kolektorům je unifikováno na rozměr DN20, solární kolektory pro zkoušky musí být vybaveny vnějším závitem. V připojovacích armaturách hadic jsou integrována teplotní čidla Pt100 s měřicím stonkem instalovaným proti směru toku teplonosné kapaliny. Všechny venkovní rozvody jsou opatřeny tepelnou izolací tl. 25 mm.
Obr. 6 Schéma zapojení zkušební trati Solární laboratoře.
Splnění podmínky rychlosti proudění vzduchu kolem kolektorů w > 3 m/s za všech venkovních podmínek během zkoušky je zajišťováno uměle řadou axiálních ventilátorů.
Obr. 7 Řídicí ústředna a vizualizace trati a jejího ovládání.
Ve spolupráci s Katedrou měření FEL, ČVUT v Praze a firmou dataPartner® byla vytvořena vizualizace měřicí trati a řídicí ústředny (viz obr. 7), která slouží pro ovládání čerpadel a regulaci teplot v zásobnících a zároveň pro kontinuální monitoring meteorologických údajů (teplota, relativní vlhkost, směr a rychlost větru, celkové sluneční ozáření na horizontální rovinu) dostupný přes FTP klienta [11, 12].
Měřicí přístroje a sběr údajů
Tepelný výkon dodávaný solárním kolektorem v průběhu zkoušky se stanoví z objemového průtoku teplonosné kapaliny (vody), rozdílu teplot na vstupu do kolektoru a výstupu z kolektoru a fyzikálních vlastností vody (hustota, měrná tepelná kapacita). Pro experimentální stanovení výkonu je tedy nutné měřit průtok společně s teplotou protékané kapaliny a rozdíl teplot mezi vstupem a výstupem solárního kolektoru.
Průtok se měří indukčními průtokoměry Badgermeter Magnetoflow Primo Advanced s čidlem DN6. Průtokoměr pracuje na principu indukce napětí na měřené elektricky vodivé pohybující se kapalině. Napětí je snímáno dvojicí signálních elektrod umístěných v měřicí trubici čidla a je převáděno zesilovačem do požadované výstupní formy (pulzní výstup). Čidlo je umístěno ve vhodné svislé poloze s dostatečnou předřazenou uklidňovací délkou. Průtokoměr včetně zesilovače je kalibrován každé dva roky u dodavatele. Relativní nejistota průtokoměru je 0,25 % v měřicím rozsahu 50 až 1000 l/h.
Teplotní rozdíl se stanovuje z teplot měřených čidly Pt100 v bezjímkovém provedení na vstupu a výstupu kolektoru, která jsou součástí připojovacích potrubí. Teplotní čidla na každém z okruhů jsou vůči sobě spárována kalibrací před každým měřením. Spárování čidel se provádí měřením teplot při propojení okruhu kolektorů ve zkratu v zaizolované komoře, čidla jsou ve směru proudění teplonosné kapaliny v těsné blízkosti. Ve stejném cyklu jako při zkoušce solárního kolektoru se mění postupně teplotní úroveň protékající kapaliny a ukládají se teploty. Spárování spočívá v kalibraci výstupního teplotního čidla vzhledem k referenčnímu vstupnímu tak, aby naměřený rozdíl teplot při párovacím měření byl rovný nule.
Celkové sluneční ozáření v rovině kolektoru využívané pro stanovení „příkonu“ kolektorů je měřeno pyranometrem Kipp&Zonen CM21. Dále je měřeno celkové sluneční ozáření na vodorovnou rovinu (pyranometr Kipp&Zonen CM6B, pyranometr Ahlborn FLA628S) a difúzní sluneční ozáření s využitím stínicího prstence (Kipp&Zonen CMP21 + CM121). Pyranometry pracují na principu násobných termočlánkových čidel. Pyranometry jsou kalibrovány každé dva roky v Solární a ozonové laboratoři ČHMÚ v Hradci Králové.
Doplňkovou měřenou veličinou je rychlost větru. Měří se miskovými anemometry v rovině solárního kolektoru Mires W01 (2 × dvojice: před a za kolektorem) a jedním miskovým anemometrem Vaisala WAA 151.
Sběr měřených údajů je od roku 2008 realizován měřicí ústřednou Ahlborn ALMEMO 5960-9 se 40 vstupy (20 napěťových: měření teplot, 20 univerzálních: napěťové, proudové, pulzní).
Zkoušky solárních kolektorů
Základní metodou zkoušky výkonu solárního kolektoru v Solární laboratoři je zkouška v ustáleném stavu při zajištění přibližně konstantních podmínek měření (sluneční ozáření, vstupní teplota, průtok kapaliny, rychlost větru, venkovní teplota). Od roku 2010 bylo zkoušení solárních kolektorů rozšířeno o kvazidynamickou metodu, kterou lze stanovit účinnostní křivku kolektoru za proměnlivých (neustálených) klimatických podmínek. Kvazidynamická zkouška rozšiřuje časové možnosti laboratoře a zároveň poskytuje komplexnější charakterizaci výkonu a účinnosti solárního kolektoru.
V solární laboratoři jsou zkoušeny jak výzkumné prototypy solárních kolektorů v rámci výzkumu, tak komerční solární kolektory pro účely stanovení tepelného výkonu, resp. účinnosti jako informace pro výrobce či dodavatele kolektorů nebo jako podklad pro certifikaci ve Strojírenském zkušebním ústavu v Brně. Velká část komerčně zkoušených kolektorů v Solární laboratoři jsou zkušební vzorky, na kterých si výrobce chce vyzkoušet dopad nově použité technologie či změny v konstrukci kolektoru. U některých typů však jde často o základní neznalost problematiky solárních kolektorů.
Obr. 8 Počet solárních kolektorů zkoušených v Solární laboratoři (2004–2010).
Na obr. 8 je uvedena statistika solárních kolektorů zkoušených v Solární laboratoři v průběhu let 2004 až 2010, kde pokles v roce 2009 byl způsoben rozsáhlou rekonstrukcí (rekonstrukce rozvodů elektrické energie na Ústavu techniky prostředí, spojená s komplexní rekonstrukcí celé Solární laboratoře). V posledních letech je v Solární laboratoři zkoušeno cca 8 kolektorů ročně, především v letním období, z toho stále větší podíl zaujímají vývojové prototypy v rámci výzkumných projektů [8–10]. Na obr. 9 jsou uvedeny křivky účinnosti zkoušených plochých solárních kolektorů a trubkových vakuových solárních kolektorů.
Obr. 9 Výsledky zkoušek účinnosti solárních tepelných kolektorů v Solární laboratoři (2004–2009), vlevo: ploché solární kolektory, vpravo: trubkové vakuové solární kolektory.Závěr
Solární laboratoř Ústavu techniky prostředí Fakulty strojní ČVUT v Praze slouží pro výzkumné a výukové účely již 30 let, z toho systematicky poslední desetiletí. Za tu dobu se stala vyhledávaným pracovištěm poskytujícím věrohodné údaje o zkoušených solárních kolektorech. O tom svědčí mimo jiné i spolupráce Solární laboratoře s předními tuzemskými výrobci a dodavateli solárních tepelných kolektorů (Regulus, Thermosolar, TWI, Strojírny Bohdalice, Propuls Solar, Vermos aj.), pro které jsou zkoušeny vývojové prototypy za účelem zvýšení využití sluneční energie pro zásobování teplem a optimalizace ceny a výkonnosti kolektorů.
Literatura
- [1] ČSN EN 12975-2 Tepelné solární soustavy a součásti – Solární kolektory – Část 2: Zkušební metody. ČNI, 2006.
- [2] Brož, K., Haškovec, L.: Optimalizovaný vývoj Winstonova kolektoru slunečního záření. Zdravotní technika a vzduchotechnika 1981 (2): 89–103. Nakladatelství ČSAV Praha, 1981.
- [3] Projekt GAČR 103/99/056 „Vývoj energetických fasád s využitím skleněných optických rastrů“, ČVUT/ENKI o.p.s. Třeboň 1999-2002.
- [4] Šourek, B.: Projekt IGS 300005702 – Uzavřený měřicí okruh pro testování kolektorů slunečního záření. Fakulta strojní, ČVUT v Praze, 2000.
- [5] Matuška, T.: Projekt IGS 2000 č. CTU 3000056 – Sluneční kolektor s transparentní izolací. Fakulta strojní, ČVUT v Praze, 2000.
- [6] Matuška, T.: Transparentní tepelné izolace a jejich využití v solární tepelné technice, Disertační práce, ČVUT v Praze, 2003.
- [7] Šourek, B.: Projekt CTU0413612 – Měření součinitele přestupu tepla na venkovním zaklení kolektorů slunečního záření. Fakulta strojní, ČVUT v Praze, 2004.
- [8] Matuška, T.: Projekt IGS ČVUT 2005 č. CTU 0511412 – Optimalizace solárního kolektoru pro kombinované soustavy vytápění a chlazení. Fakulta strojní, ČVUT v Praze, 2005.
- [9] Výzkumný záměr MSM 6840770011 „Technika prostředí“. 2005–2011.
- [10] Metzger, J.: Projekt IGS 2008 č. CTU 0805912 – Experimentální ověření matematického modelu pro plochý evakuovaný solární tepelný kolektor. Fakulta strojní, ČVUT v Praze, 2008.
- [11] SOLAB. Webovské stránky Solární laboratoře Ústavu techniky prostředí Fakulty strojní ČVUT v Praze. Dostupné z: http://solab.fs.cvut.cz.
- [12] Šourek, B., Matuška, T.: Solární laboratoř na Ústavu techniky prostředí fakulty strojní ČVUT v Praze, In: Alternativní energie. roč. X (4): 18-19. 2007. ISSN 1212-1673.
Solar laboratory (SOLAB) has been built at Department of Environmental Engineering, Faculty of Mechanical Engineering Czech Technical University in Prague for solar thermal collectors testing in education and research activities. SOLAB provides the test of thermal performance, incidence angle modifier (optical characterization of collector) and time constant.
