Tepelná setrvačnost kolektoru

Tepelná setrvačnost solárního kolektoru ovlivňuje jeho okamžitý výkon při proměnlivých podmínkách. Solární kolektor může být uvažován jako soubor prvků o různé hmotnosti, z nichž každý má rozdílnou teplotu. Je-li kolektor v provozu, každá jeho součást reaguje rozdílně na změnu provozních podmínek. Je však možné uvažovat tzv. účinnou tepelnou kapacitu pro kolektor jako celek.

Účinná tepelná kapacita obecně závisí na provozních podmínkách a není konstantní hodnotou, nicméně zjednodušeně je možné účinnou tepelnou kapacitu solárního kolektoru v J/K výpočtově stanovit jako součet tepelných kapacit jednotlivých součástí kolektoru (sklo, absorbér, obsah kapaliny, izolace) se zohledněním jejich vlivu na celkové chování podle vztahu [1]

p_i je váhový součinitel pro i-tou součást kolektoru;
m_i hmotnost i-té součásti kolektoru, v kg;
c_i měrná tepelná kapacita i-té součásti kolektoru, v J/(kg.K).

Hodnoty váhových součinitelů pro jednotlivé části solárního kolektoru jsou uvedeny v tab. 1. Váhový součinitel p_i (hodnoty mezi 0 a 1) respektuje skutečnost, že určité díly se jen částečně podílejí na tepelné setrvačnosti kolektoru. Součinitel a1 uvedený v tab. 1 je hodnota lineárního součinitele tepelné ztráty kolektoru, která se získá jako jedna z konstant křivky účinnosti vyhodnocení v rámci zkoušky tepelného výkonu solárního kolektoru.

Zatímco tepelné kapacity plochých solárních kolektorů a jednostěnných trubkových vakuových kolektorů vztažené na plochu apertury C_e/A_a se pohybují řádově mezi 2 a 5 kJ/(m² K), u trubkových Sydney kolektorů jsou hodnoty cca několikanásobně vyšší mezi 10 až 40 kJ/(m² K).

Tab. 1 - Hodnoty váhových součinitelů pro určení tepelné kapacity kolektorů [1]

Tepelnou setrvačnost kolektoru vlivem tepelné kapacity jeho částí je možné vyjádřit také časovou konstantou. Ta je definována jako čas potřebný ke změně teploty teplonosné látky na výstupu z kolektoru o 63,2 % z celkové hodnoty teplotní změny z původní teploty na novou ustálenou hodnotu po skokové změně dopadajícího slunečního ozáření či vstupní teploty.

Obr. 2 - Stanovení časové konstanty při chladnutí (vlevo) a ohřívání (vpravo) kolektoru

Časová konstanta závisí na provozních podmínkách, především na průtoku teplonosné kapaliny kolektorem. Hodnoty časové konstanty běžných solárních kolektorů se pohybují řádově v minutách a je tedy možné jejich chování pro výpočty solárních soustav s výhodou popisovat stacionárními modely.

Časová konstanta se stanovuje experimentálně [1] za ustálených podmínek s konstantní vstupní teplotou teplonosné látky t_k1 blízkou teplotě okolí t_e. 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 kolektoru τ_c je potom čas, při kterém je dosaženo rovnosti

t_k2(τ = 0) je výstupní teplota na výstupu z kolektoru v době začátku zkoušky (zakrytí nebo odkrytí kolektoru), ve °C;
t_k2(τ = τ_c) výstupní teplota v čase τ_c, ve °C;
t_k2(τ = ∞) nová ustálená teplota na výstupu z kolektoru, ve °C.

Odkazy

[1] ČSN EN 12975-2 Tepelné solární soustavy a součásti - Solární kolektory - Část 2: Zkušební metody. ČNI 2006.