Solární kolektory

Solární kolektory - typy a funkčnost, 2. díl

13. 5. 2014

Ploché solární kolektory se obecně vyznačují plochým zasklením a plochým absorbérem. Současným standardem jsou ploché kolektory s jednoduchým zasklením solámím sklem v čirém nebo texturovaném provedení a se selektivním povrchem absorbéru na bázi keramicko-kovových vrstev (cermet povrchy) nebo galvanických povlaků. Kolektory s neselektivním povrchem se objevují pouze okrajově u menších výrobních společností jako levné kolektory pro sezónní aplikace. Tepelně vodivý kovový absorbér může být celoplošný (tvořený jedním plechem) nebo dělený do lamel. Absorpční plocha je navařena (ultrazvukově, laserově) nebo nalisována na trubkovém registru, kterým je kapalinou odváděno využitelné teplo. Rám kolektoru (kolektorová skříň, kolektorová vana) je bud' výlisek nebo je složený z profilů a podle potřeby vyplněn tepelnou izolací. Lisovaná skříň kolektoru je zpravidla vyrobena jako těsná a vnitřní části kolektoru jsou chráněny před možnou degradací vlivem vlhkosti. Skříň kolektoru skládaná z profilů je netěsná a musí být opatřena větracími otvory pro odvod vlhkosti a zamezení rosení na zasklení kolektoru.

Ploché kolektory s dvojitým zasklením se objevují okrajově především v aplikacích pro vyšší teplotní úrovně. Dvojité zasklení může být realizováno bud' jako dvojsklo nebo tvořeno krycím sklem a napjatou teflonovou fólií ve funkci spodní vrstvy rozdělující vzduchovou mezeru mezi absorbérem a krycím sklem pro snížení přestupu tepla konvekcí a sáláním.
Obr.: 2.5.: Schematický řez plochým solárním kolektorem, zdroj: Thermosolar

Obr.: Ilustrační foto, ploché solární kolektory do střechy

Pro řešení kolektorových polí velkých solárních soustav se čím dál více uplatňují ploché velkoplošné kolektory s plochou od 4 do 10 m² (viz obr. 2.8). Absorbéry takových kolektorů jsou tvořeny podélnými lamelami zapojenými do ležatého trubkového registru. Zasklení kolektorů je s ohledem na kompenzaci tepelné roztažnosti děleno do menších ploch. Montáž ko/ektorového pole z ve/kop/ošných modulů je výrazně rychlejší vzhledem k omezenému počtu prováděných spojů. Na jednoho montážního pracovníka a den je možné nainstalovat cca 50 m² velkoplošných kolektorů oproti 20 m² maloplošným.

Obr. 2.8.: Ilustrační foto, velkoplošný solární kolektor

Ploché solární kolektory s jednoduchým zasklením jsou nejrozšířenějšími solárními kolektory pro běžné aplikace jako je příprava teplé vody nebo přitápění, tvoří okolo 80 % trhu. Je to dáno především poměrem mezi jejich výkonem a cenou a dále určitou tradicí instalací v ČR.

Ploché vakuové kolektory

Ploché vakuové kolektory využívají sníženého tlaku v prostoru těsné skříně kolektoru k zajištění nízké tepelné ztráty kolektoru omezením volného proudění vzduchu mezi absorbérem a zasklením nebo zadní stěnou kolektoru (kolektorová skříň neobsahuje izolaci). Skříň kolektoru musí být velmi těsná, proto je vyrobena lisováním jako bezešvá vana, která je v přední části uzavřena tabulí solárního skla napojenou na vanu speciálním tepelně odolným těsněním. Aby sklo neprasklo působením vnějšího atmosférického přetlaku nebo nárazem předmětů, je vyztuženo rastrově uspořádanými nerezovými podpůrnými elementy. Podpůrné elementy jsou rozepřeny mezi zadní část vany a zasklení a absorbérem procházejí otvory bez tepelného kontaktu s absorbérem, aby se vyloučily tepelné mosty.

Obr.2.9.: Schematický řez plochým vakuovým solárním kolektorem, zdroj: Thermosolar

Důležitým aspektem vyráběných plochých vakuových kolektorů je zajištění těsnosti vnitřního prostoru a zároveň možnosti opětovně vakuovat kolektor. Ploché vakuové kolektory jsou zpravidla provozovány za podmínek mírného vakua. Uvnitř skříně se dosahuje běžnými vývěvami absolutního tlaku od 1 do 10 kPa. Kolektor je konstruován ze samotěsnicích částí, které se podtlakem více svírají a utěsňují. Vana kolektoru je vybavena ventilem pro připojení k vývěvě, pokud je nutné vnitřní prostor znovu vakuovat. Součástí instalace kolektoru je manometr pro indikaci ztráty vakua a nárůstu tlaku v kolektoru. Zbytkový vzduch může být nahrazen vzácným plynem kryptonem (argonem) s nižší tepelnou vodivostí.

Ploché vakuové kolektory neobsahují tepelnou izolaci na zadní straně absorbéru. Nízký tlak pod 10 kPa způsobuje omezení volného proudění "rozředěného" zbytkového vzduchu, tlak pod 100 Pa potom i omezení vedení tepla vlivem významného snížení počtu molekul v prostoru vany. V tomto ohledu je tepelná izolace na zadní straně zbytečná. Nicméně nízkým tlakem není nijak vyřešen přenos tepla sáláním mezi zadní stranou absorbéru a povrchem vany kolektoru, který musí být dostatečně snížen použitím nízkoemisivních povlaků na obou površích.

Trubkové vakuové kolektory

Trubkové vakuové solární kolektory jsou obecně kolektory s válcovým zasklením, u kterých je prostor mezi absorbérem a zasklením vakuován na extrémně nízký tlak pod 1 mPa. Vysoké vakuum vlivem téměř dokonalé absence molekul plynů minimalizuje přenos tepla vedením a kon- vekcí ve vakuovém prostoru a přenos tepla mezi absorbérem a zasklením způsobuje především sálání. Pro vyloučení výskytu zbytkových plynů ve vakuovém prostoru trubky se používají tzv. getry využívající barium, které pohlcuje molekuly plynů. Při výrobě je po evakuaci vnitřního prostoru getrová vložka indukčně zahřáta na vysokou teplotu, barium se odpaří a usadí na dně skleněné trubky jako stříbrně zbarvená vrstva. Getr i nadále aktivně pohlcuje molekuly plynů, které se do vakuovaného prostoru mohou dostat během provozu (např. pozdějším uvol- ňováním z absorpčního povrchu) a udržuje tak dlouhodobou stabilitu vakua. Pokud se obálka vakuované trubky poruší a do vnitřního prostoru vakuové trubky se dostane větší množství vzduchu, getrová usazenina změní při reakci s plyny barvu - zhnědne, zbělá, zprůhlední, apod. - a tím indikuje porušení vakua, viz obr. 2.10.Snadnější indikací ztráty vakua v trubce je vysoká teplota jejího povrchu během slunného dne. Pokud je solární kolektor vystaven dostatečnému slunečnímu záření, trubky s vysokým vakuem mají povrchovou teplotu zhruba na úrovni teploty okolí, zatímco porušené trubky mají teplotu významně vyšší vlivem intenzivnějšího přenosu tepla z absorbéru.Kvalitní trubkové vakuové kolektory dosahují kombinací vakuové izolace a nízkoemisivního povrchu absorbéru extrémně nízkých tepelných ztrát i při vysokých rozdílech teplot mezi absorbérem a okolním prostředím. Umožňují tak efektivně využívat slunečního záření i při vysokých provozních teplotách nad 100 "C, např. v oblasti průmyslového a technologického tepla nebo solárního chlazení.

Obr. 2.10.: Držák getru ve vakuové trubce (vlevo) a příklad zbarvení getrové usazeniny (stříbrná - vakuum, mléčná - atmosferický tlak)

Nízká tepelná ztráta se na druhé straně může v některých případech projevit negativně. V případě námrazy nebo zapadání sněhem je kolektor v podstatě mimo provoz i přes slu- nečné počasí. Vlivem nízké tepelné ztráty nelze efektivně zvýšit rychlost odtávání sněhové pokrývky, např. řízeným vpuštěním dostatečně teplé kapaliny do kolektorů, a je nutné vyčkat na postupné odtávání působením slunečního záření přímo na sníh nebo námrazu.

Termín trubkový vakuový kolektor je relativně široký pojem, který zahrnuje velké množství různých konstrukčních provedení. Pro potřebu základní klasifikace se odlišují dvě konstrukce:

• trubkové kolektory s jednostěnnou trubkou a plochým absorbérem - starší tradiční typ, původně vyráběný v Evropě a USA;

• trubkové kolektory s dvojstěnnou trubkou a válcovým absorbérem (Sydney) - "čínský" typ, v současnosti převážně vyráběný v Číně.

Podle konstrukčního uspořádání odvodu tepla lze rozdělit oba konstrukční druhy na další poddruhy:

• přímo protékané - absorbér je vodivě spojen s potrubím přímo protékaným teplonosnou kapalinou.
• koncentrické potrubíjako trubka v trubce - vnitřní trubkou se přivádí teplonosná kapalina, ve vnějším mezi prostoru se ohřívá a odvádí.
• potrubí ve tvaru U-registru s přívodní a vratnou trubkou
• s tepelnou trubicí - absorbér je vodivě spojen s výparníkem, kde se vypařuje pracovní látka.
• suché napojení - kondenzátor tepelné trubice uchycený v pouzdru omývaném teplo nosnou kapalinou.
• mokré napojení - kondenzátor tepelné trubice přímo omývaný teplonosnou kapalinou.

Tepelné trubice se používají pro přenos tepla mezi povrchem absorbéru a teplonosnou kapalinou. Princip tepelné trubice je relativně dobře známý: pracovní kapalina se přívodem tepla vypařuje ve výparníkové části vodivě spojené s absorbérem, pára samovolně stoupá trubicí do kondenzační části, kde se sráží na kapalné skupenství a kapalina stéká zpět do výparníkové části. Změnou skupenství se dosahuje intenzivního přestupu tepla uvnitř tepelné trubice. Pro zajištění správné funkce běžné tepelné trubice je nutné zajistit její sklon minimálně 20 až 25°, aby se kondenzát mohl samovolně vrátit zpět do výparníku. Na trhu se již objevují i provedení bez takového omezení. U vakuových solárních kolektorů se jako tepelná trubice používá měděná trubka, jejíž výparníková část má průměr 8 až 12 mm a kondenzační část má zpravidla průměr cca 18 až 20 mm pro zajištění dostatečné teplosměnné plochy pro předání tepla do teplonosné kapaliny. Uvnitř tepelné trubice se jako pracovní kapalina používá buď čistá voda (případně se zvláštními aditivy) nebo líh, obojí při určitém tlaku (podtlaku).

Tepelné trubice jsou považovány za konstrukci, která bezproblémově řeší možné problémy s přehříváním teplo nosné kapaliny solární soustavy v případě tzv. chodu naprázdno (stagnace), kdy solární kolektor přijímá sluneční záření, avšak není z něj odváděno teplo např. vlivem uspokojení potřeby tepla nebo výpadkem čerpadla. To je pravda v případě volby vhodné pracovní látky a jejího správného množství, aby při dosažení kritické teploty byla v tepelné trubici pouze přehřátá pára, která při daném tlaku nekondenzuje. Jak ukazují zkušenosti z provozu, nejedná se 0100 % omezení tvorby páry teplo nosné látky v případě stagnace. Spolehlivějším řešením je konstrukce s mechanickým zabráněním vstupu páry do kondenzátoru pomocí speciální pružiny.

Trubkové Sydney kolektory vykazují oproti ostatními druhům solárních kolektorů dostupným na trhu velkou variabilitu kvality z hlediska účinnosti a trvanlivosti. Bohužel, tato kvalita není patrná na první pohled. Různé typy Sydney kolektorů od různých výrobců se od sebe vizuálně příliš neliší. Co se však může podstatně lišit je vnitřní uspořádání odvodu tepla z kolektoru a kvalitativní úroveň vlastní Sydney trubky (kvalita selektivního povrchu, míra dosažení vysokého vakua, tloušťka stěny trubky, apod). Reálnou kvalitu kolektorů tak mohou posoudit pouze výkonové a spolehlivostní zkoušky podle příslušné normy provedené akreditovanou zkušebnou s patřičným vybavením.

Vzhledem k válcovému tvaru absorbéru se trubkové vakuové Sydney kolektory mohou výhodně vybavit odraznými zrcadly (reflektory) s opticky více či méně propracovaným tvarem pro zvýšení množství dopadající energie na absorbér, viz obr. 2.16. Mezi koncentrační kolektory nejsou běžně zařazovány vzhledem k nízkému koncentračnímu poměru. Levnější typy trubkových Sydney kolektorů využívají jednoduché ploché reflektory umístěné za trubkami. Vyššího účinku lze docílit reflektory s vhodně tvarovaným povrchem (parabolické koncentrátory). Pro správnou funkci by reflektory měly udržet svou .zrcadlovou" kvalitu po dobu životnosti kolektoru. Vlivem znečištění či otěru se však časem povrch běžně používaných materiálů mění na difuzní, tzn. neodráží zrcadlově, avšak do všech stran rovnoměrně. Použití reflektorů na jedné straně snižuje počet použitých trubek v kolektoru (levnější řešení) a zvětšuje aktivní plochu kolektoru (výkon/m² zastavěné plochy), na druhé straně v určitých zeměpisných oblastech může být použití reflektorů problematické s ohledem na zachycování sněhové pokrývky a tvorbu ledu, která může vést k destrukci skleněných vakuových trubek kolektoru.

Obr. 2.16.: Použití reflektorů pro zvýšení aktivní plochy

Použití trubkových Sydney kolektorů s reflektorem nebo i bez reflektoru při instalaci na šikmé střeše je problematické zvláště v horských oblastech, kde lze předpokládat období s vysokou pokrývkou sněhu. Kromě energetických ztrát vlivem zapadaného kolektoru bez možnosti odtávání se jedná i o značné zatížení trubek i rámu kolektoru hmotností vrstvy sněhu.