Účinnost solárního kolektoru

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

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

Vztažnou plochou pro vyhodnocení účinnosti může být plocha absorbéru, plocha apertury nebo hrubá plocha. Účinnost solárního kolektoru se vyhodnocuje a uvádí jako křivka v závislosti na klimatických a provozních podmínkách (viz obr. 1) v podobném tvaru jako výkon

G je sluneční ozáření, ve W/m²;
A_k vztažná plocha kolektoru, obvykle plocha apertury kolektoru, v m².
η₀ účinnost solárního kolektoru při nulových tepelných ztrátách, někdy označovaná jako optická účinnost kolektoru;
a₁ lineární součinitel tepelné ztráty kolektoru, ve W/(m².K);
a₂ kvadratický součinitel tepelné ztráty kolektoru (vyjadřuje teplotní závislost), ve W/(m².K²);

Obr. 1 - Křivky účinnosti kolektoru vztažené k různým referenčním plochám

Součinitele křivky účinnosti η₀, a₁ a a₂ definují křivku účinnosti solárního kolektoru v celém rozsahu provozních podmínek a musí být uváděny v souvislosti s referenční plochou A_k, ke které je křivka účinnosti vztažena. Křivka účinnosti slouží pro porovnání kvality dvou obdobných konstrukcí kolektoru z hlediska tepelných a částečně optických vlastností. Dodavatel, který nedokáže křivku účinnosti prokázat protokolem ze zkoušky v akreditované laboratoři, vlastně zákazníkovi nemůže podat informaci o tepelném výkonu solárního kolektoru a jeho energetické kvalitě.

Z teoretické energetické bilance tepelných toků z povrchu absorbéru solárního kolektoru do okolí a do teplonosné látky vyplývá pro účinnost kolektoru vztah

F' je účinnostní součinitel, vyjadřuje schopnost absorbéru odvést z povrchu teplo do teplonosné látky;
τ propustnost slunečního záření zasklením kolektoru ;
α pohltivost slunečního záření absorbérem kolektoru ;
U součinitel prostupu tepla kolektoru, ve W/(m².K);

Porovnáním členů v rovnici (2) a rovnici (3) lze experimentálně stanoveným konstantám křivky účinnosti přiřadit fyzikální význam. Pro účinnost při nulových tepelných ztrátách platí

a účinný součinitel prostupu tepla kolektorem lze stanovit jako

Obr. 2 - Typické křivky účinnosti různých druhů solárních kolektorů

V grafu na obr. 2 jsou znázorněny typické křivky účinnosti základních druhů solárních kolektorů, vyjádřené v závislosti na teplotním spádu mezi teplonosnou látkou a okolím pro hodnotu slunečního ozáření 800 W/m². Nezasklené kolektory se mohou vyznačovat vysokou optickou účinností, na druhé straně mají vysoké tepelné ztráty, výrazně ovlivněné 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 střední teplotou teplonosné látky a okolním vzduchem v základních aplikacích.

Z jednoduchého porovnání křivek vyplývají některé zásady použití 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 řada levných nezasklených kolektorů. V oblasti přípravy teplé vody a vytápění jsou trubkové vakuové kolektory a atmosférické ploché kolektory z hlediska účinnosti vztažené k ploše apertury zhruba srovnatelné, záleží však vždy na konkrétním typu. Pro průmyslové aplikace s vysokými provozními teplotami jsou nutné kolektory s velmi nízkou tepelnou ztrátou (trubkové vakuové, případně kvalitní koncentrační kolektory).