Zkoušky spolehlivosti solárních kolektorů

Norma EN 12975-1 určuje požadavky na odolnost (včetně mechanické pevnosti), spolehlivost a bezpečnost kapalinových tepelných solárních kolektorů [1]. Rovněž obsahuje návody k hodnocení shody s těmito požadavky. Norma EN 12975-2 pak určuje metody spolehlivostních zkoušek [2].

Vnitřní přetlak v absorbéru

Absorbér solárního kolektoru je zkoušen pro posouzení rozsahu, ve kterém odolává tlakům předpokládaným v provozu. Anorganické absorbéry (zpravidla kovové) jsou tlakově zkoušeny při okolní teplotě v rozmezí 5 °C až 30 °C. Organické absorbéry jsou zkoušeny při zvýšené teplotě, protože tlaková odolnost absorbéru z organických materiálů může být nepříznivě ovlivněna zvyšující se teplotou. Zkušební teplota se u organických absorbérů rovná maximální teplotě, kterou může absorbér dosáhnout za klidových podmínek (stagnační teplota).

Zkušební tlak je 1,5násobkem nejvyššího pracovního tlaku kolektoru, určeného výrobcem. U neorganických absorbérů se zkušební tlak udržuje po dobu 15 minut, u organických se postupně zvyšuje po 20 kPa s prodlením 5 minut na každé tlakové úrovni. Zkušební tlak je udržován nejméně po dobu 1 hodiny.

Solární kolektor se poté zkontroluje na netěsnosti, vydutí a zkroucení. Výsledky prohlídky musí být zaznamenány.

Vystavení vysokým teplotám

Účelem této zkoušky je rychlé hodnocení, zda kolektor odolává vysokým úrovním slunečního ozáření bez poškození, jako jsou prasknutí nebo zhroucení krytu, roztavení absorbéru (z plastu) nebo významné úsady na krytu kolektoru způsobené zplynováním materiálu kolektoru. Nenaplněný avšak uzavřený kolektor se zkouší ve vnějším prostředí nebo v simulátoru slunečního ozáření za definovaných klimatických podmínek: sluneční ozáření G > 1000 W/m², venkovní teplota t_e = 20 až 40 °C a rychlost proudění okolního vzduchu w < 1 m/s.

Solární kolektor se poté zkontroluje na degradaci, smrštění, zplynování materiálu a zkroucení. Výsledky prohlídky se zaznamenají spolu s průměrnými hodnotami klimatických podmínek. Zkouška se často spojuje s určením klidové (stagnační) teploty.

Vystavení vlivům prostředí

Zkouška vystavení vnějším vlivům poskytuje zkušební postup s nízkými náklady za provozních podmínek, které pravděpodobně nastanou při skutečném provozu a které naznačují, že kolektor vyhoví dalším spolehlivostním zkouškám, dávajícím pravděpodobnější opakovatelné výsledky.

Nenaplněný uzavřený kolektor se při zkoušce vystaví vlivům venkovního prostředí nejméně po dobu 30 dnů, v nichž je dosažena denní dávka slunečního ozáření H > 14 MJ/m². Dny nemusejí následovat nepřetržitě po sobě. Dále je vystaven pod dobu alespoň 30 hodin podmínkám: úroveň slunečního ozáření G > 850 W/m² a teplota okolního vzduchu t_e > 10 °C. Tyto hodiny by se měly skládat z úseků nejméně 30 minut dlouhých.

Solární kolektor se poté zkontroluje na poškození a degradaci. Výsledky prohlídky se zaznamenají spolu s klimatickými údaji v průběhu zkoušky. Zkoušku lze kombinovat se zkouškou odolnosti vnějším a vnitřním tepelným rázům (zkouší se dvakrát během prvních a posledních 10 z 30 hodin).

Vnější tepelný ráz

Solární kolektory mohou být občas vystaveny v horkých slunečných dnech náhlým přívalům deště, které způsobují prudký vnější tepelný ráz. Tato zkouška se zaměřuje na hodnocení schopnosti kolektoru odolávat takovým tepelným rázům bez poškození.

Solární kolektor je udržován pod vysokou úrovní slunečního ozáření G > 850 W/m² ve venkovním prostředí nebo v simulátoru a při teplotě okolí t_e > 10 °C po dobu 1 hodiny před započetím vodního skrápění. Poté je kolektor chlazen vodním proudem o teplotě nižší než 25 °C s průtokem 0,03 až 0,05 kg/(s.m²) apertury kolektoru po dobu 15 minut. Kolektor se podrobí celkem dvěma vnějším tepelným rázům.

Solární kolektor se poté zkontroluje na jakékoli praskliny, zkroucení, kondenzaci, průnik vody nebo ztrátu vakua. Výsledky prohlídky se zaznamenají společně s klimatickými údaji a zkušebními podmínkami (teplota a průtok skrápějící vody)

Vnitřní tepelný ráz

Zkouška je zaměřena na hodnocení schopnosti solárního kolektoru odolat tepelným rázům způsobených náhlým vstupem chladné teplonosné kapaliny v horkých slunečných dnech bez poškození. Taková situace může v provozu nastat například po období odstávky při uvádění do chodu, kdy se kolektor nachází při své klidové teplotě.

Nenaplněný kolektor se při zkoušce udržuje pod vysokou úrovní slunečního ozáření G > 850 W/m² ve venkovním prostředí nebo v simulátoru a při teplotě okolí t_e > 10 °C po dobu 1 hodiny před ochlazením teplonosnou kapalinou, která je poté dodávána po dobu nejméně 5 minut dokud teplota absorbéru nepoklesne pod 50 °C. Teplonosná kapalina musí mít teplotu nižší než 25 °C. Doporučený průtok kapaliny je nejméně 0,02 kg/(s.m²) apertury kolektoru (pokud není výrobcem stanoveno jinak). Kolektor se podrobí celkem dvěma vnitřním tepelným rázům.

Solární kolektor se poté zkontroluje na jakékoli praskliny, zkroucení, deformace, průnik vody nebo ztrátu vakua. Výsledky prohlídky se zaznamenají společně s klimatickými údaji a zkušebními podmínkami (teplota a průtok teplonosné kapaliny).

Průnik deště

Zkouška je použitelná pouze pro zasklené solární kolektory a slouží ke zhodnocení rozsahu, ve kterém jsou zasklené kolektory odolné proti průniku deště. Kolektory nesmí dovolit průnik buď volně padajícího nebo pohybujícího se deště. Kolektory mohou mít větrací otvory nebo odvodňovací otvory, ty však nesmí dovolit průnik proudícího deště.

Solární kolektor je při zkoušce skrápěn na exponovaných stranách s použitím rozprašovacích trysek nebo sprch vodou o teplotě nižší než 30 °C o průtoku větším než 0,05 kg/(s.m²) sprchované plochy, zatímco absorbér v kolektoru je udržován v teplém stavu (nejméně 50 °C). Zkouška trvá 4 hodiny. Průnik vody do kolektoru se stanoví kontrolou (prohlédnutím výskytu vodních kapek, kondenzace na krycím sklu nebo ostatních viditelných známek vody) a některou z normou předepsaných metod:

• vážení kolektoru;
• měření absolutní vlhkosti ve vzduchové mezeře mezi absorbérem a zasklením;
• měření úrovně kondenzace na krycím sklu.

Solární kolektor se poté zkontroluje na průnik vody. Výsledky prohlídky, tj. rozsah průniku vody a místa, kde voda pronikla, se zaznamenají.

Obr. 1 - Zkouška průniku deště, zkouška mechanického zatížení, zdroj ITW, ISE/ESTIF

Mechanické zatížení

Zkouška je zaměřena na zhodnocení rozsahu, ve kterém transparentní kryt solárního kolektoru je schopen odolat kladnému tlakovému zatížení od účinků větru a sněhu.

Na vodorovně umístěný kolektor se do rámu přidává v postupných krocích materiál (sypký materiál - štěrk, voda, jiné prostředky, např. tlak vzduchu), kterým se vyvozuje stejnoměrné zatížení na kryt. Zkušební tlak se zvyšuje po největších krocích 250 Pa, dokud se neprojeví vada nebo až na hodnotu stanovenou výrobcem. Zkušební tlak je nejméně 1 kPa. Závadou může být rozlámání krytu, také trvalá deformace skříně kolektoru nebo úchytů.

Vystavení mrazu

Zkouška je zaměřena na hodnocení rozsahu v jakém vodní solární kolektory, prohlášené za mrazuvzdorné, odolávají mrazu a cyklům zmrazování/rozmrazování (například drain-back kolektory). Zkouška není určena pro solární kolektory, v jejich montážním návodu je jasně stanoveno, že smí být používány jedině s nemrznoucí kapalinou.

Solární kolektory se zkouší na mrazuvzdornost:

• při plnění vodou - kolektor se naplní vodou o pracovním tlaku a cyklicky se zmrazuje na -20±2 °C (po dobu 30 minut) a rozmrazuje při 10 °C (po dobu 30 minut), celkem ve třech cyklech zmrazování/rozmrazování;
• při vypouštění vody - kolektor využívající vypouštění k ochraně před zamrznutím je naplněn vodou, udržován při pracovním tlaku po dobu 10 minut a potom vypuštěn při použití přístrojů instalovaných výrobcem. Poté se provede cyklické zmrazování/rozmrazování.

Počet provedených cyklů se zaznamená. Kolektor se poté zkontroluje na netěsnosti, poškození, zkroucení a deformace. Výsledky prohlídky jsou zaznamenány spolu s teplotami absorbéru, dosaženými při teplotních cyklech a časy, po které byl kolektor podroben zkušebním teplotám.

Vystavení nárazu (krupobití)

Zkouška je zaměřena na hodnocení rozsahu, ve kterém solární kolektor může odolat účinkům těžkých nárazů způsobených kroupami. Kroupy jsou ve zkoušce nahrazeny ocelovými nebo ledovými kuličkami.

Ocelová kulička o hmotnosti 150 g se pouští na vodorovný kolektor pádem nebo na skloněný kolektor kyvadlem 10krát z první zkušební výšky (0,4 m), dále 10krát z druhé zkušební výšky (0,6 m) atd. Postup se opakuje z výšek po 0,2 m, dokud není dosažena největší zkušební výška 2 m. Zkouška je ukončena, jestliže kolektor utrpí nějaké poškození nebo jestliže kolektor odolá nárazu 10 ocelových kuliček z největší zkušební výšky. Metoda neodpovídá přesně fyzikálnímu účinku krup, jelikož se neuvažuje deformační energie pohlcená částicemi ledu.

Ledové kuličky o průměru 25 mm, vyrobené ve formách v mrazicím zařízení (-10 °C), vyhovující velikostí, hmotností a bez prasklin se umístí do zásobníku (teplota -4 °C) a ponechají se tam nejméně 1 hodinu před použitím. Ze spouštěcího zařízení se ledová kulička odpaluje na kryt kolektoru 10krát; zkouška je ukončena, jestliže kolektor utrpí nějaké poškození nebo jestliže kolektor odolá nárazu 10 ledových kuliček. Metoda je svou podstatou blíže skutečnosti a je upřednostňována.

Solární kolektor se poté zkontroluje na poškození. Výsledky prohlídky se zaznamenají spolu s výškou, ze které byly spouštěny ocelové kuličky, byly-li použity, a počet nárazů, který způsobil poškození.

[1] ČSN EN 12975-1 Tepelné solární soustavy a součásti - Solární kolektory - Část 1: Všeobecné požadavky, která určuje požadavky na odolnost (včetně mechanické pevnosti), spolehlivost a bezpečnost kapalinových tepelných solárních kolektorů. Rovněž obsahuje návody k hodnocení shody s těmito požadavky. ČNI 2006
[2] ČSN EN 12975-2 Tepelné solární soustavy a součásti - Solární kolektory - Část 2: Zkušební metody, která detailně popisuje zkušební metody a podmínky, za kterých jsou solární kolektory zkoušeny. ČNI 2006.