Charakteristika solárních kolektorů

25. 5. 2014

Pro komplexní popis tepelného chování solárního kolektoru pro navrhování a hodnocení solárních soustav je nutné znát jeho charakteristické parametry a jejich závislost na provozních a klimatických podmínkách:

tepelná účinnost 11 indikuje, jak kolektor pohlcuje záření a ztrácí teplo, určuje jeho okamžitý tepelný výkon Qk při daných klimatických a provozních podmínkách;
modifikátor úhlu dopadu Ke určuje vliv úhlu dopadu slunečního záření na účinnost a výkon solárního kolektoru, někdy se označuje jako optická charakteristika kolektoru;
časová konstanta T a tepelná kapacita C vyjadřuje vliv tepelné setrvačnosti hmot kolektoru na jeho okamžitý výkon

Charakteristické parametry solárních kolektorů lze teoreticky odvodit nebo zjistit experimentálně zkouškami za jasně definovaných podmínek.

Teoretické vyjádření účinnosti

Funkci solárního tepelného kolektoru lze popsat obecnou energetickou rovnováhou (viz obr. 2.20). Solární kolektor přijímá sluneční záření, které je částečně odraženo od zasklení a absorbéru a zbytek se pohlcuje na povrchu absorbéru a mění v teplo. Část tepla z pohlceného záření se odvádí teplonosnou kapalinou, část odchází zpět do okolního prostředí ve formě tepelných ztrát a část tepla se akumuluje v těle kolektoru.

Obr. 2.20.: Schematické znázornění energetické bilance kolektoru, A - Tepelné ztráty zadními a bočními stěnami

Pro praktické inženýrské výpočty lze energetickou bilanci kolektoru popsat rovnicí v ustáleném stavu (bez vlivu setrvačnosti kolektoru).

Účinnost kolektoru ovlivňují dva hlavní členové, a to optická účinnost a součinitel prostupu tepla kolektoru, které vyjadřují celkové tepelné ztráty. Nárůstem teploty hrají u kolektorů obecně dominantní roli tepelné ztráty z kolektoru do okolí, při vyšších teplotách rostou tepelné ztráty. Pro vyjádření kvality přenosu tepla z povrchu absorbéru do teplonosné kapaliny se využívá bezrozměrného účinnostního součinitele kolektoru F, který ve své podstatě stanovuje poměr mezi dvěma tepelnými odpory. Účinnostní součinitel zohledňuje přestup tepla z povrchu absorbéru do teplonosné kapaliny. Z účinnostního součinitele kolektoru F vyplývají důležité zásady návrhu konstrukce kolektoru, zejména absorbéru. Se zmenšováním rozteče trubek registru a tedy zmenšováním šířky lamely absorbéru se zvyšuje účinnostní součinitel kolektoru, stejně jako se zvětšující se tloušťkou absorbéru a zvyšující se tepelnou vodivostí materiálu absorbéru a trubky. Praktické omezení tloušťky absorbéru na hodnoty max.0,5 mm vyplývá ze snahy o minimalizaci spotřeby materiálu a zároveň udržení nízké tepelné setrvačnosti kolektoru. Na trhu v ČR existují i kolektory s válcovanými hliníkovými absorbéry o tloušťce cca 2mm, které mají velmi vysokou hodnotu průsečíku s osou účinnosti.

Tepelný přenosový součinitel kolektoru F_R

Vztahuje energii dodanou solárním kolektorem k energii, která by byla dodána ze předpokladu, že by teplota celého absorbéru byla rovna vstupní teplotě teplonosné kapaliny. Svým významem je tak ekvivalentní účinnosti tepelného výměníku definované jako poměr okamžitého přeneseného tepelného výkonu k maximálnímu možnému tepelnému výkonu. maximální využitelný výkon lze ze solárního kolektoru získat v případě, že v celém kolektoru je teplota rovná teplotě vstupující kapaliny, tzn. tepelná kapacita průtoku je nekonečně vysoká.

Obr.: Porovnání křivek účinnosti jediného kolektoru v závislosti na různě vyjádřeném středním redukovaném teplotním spádu

Vztažná plocha solárního kolektoru

Účinnost solárního kolektoru musí být vždy uváděna společně s označením plochy kolektoru A_k ke které byla vztažena. Lze rozlišit celkem tři plochy, ke kterým je možné vztáhnout účinnost solárního kolektoru:

plocha absorbéru A_A - plocha, na níž dochází cíleně k přeměně slunečního záření v teplo;
plocha apertury A_a - plocha průmětu otvoru (zpravidla zasklení), kterým vstupuje do kolektoru nesoustředěné sluneční záření;
celková obrysová (hrubá) plocha A_G - plocha průmětu celkového obrysu solárního kolektoru.

Plochou apertury plochého kolektoru je plocha propustné části jeho zasklení. U trubkového kolektoru bez reflektoru (jednostěnný, dvojstěnný Sydney) je plochou apertury průmět vnější krycí trubky do vztažné roviny kolektoru. u trubkového sydney kolektoru s reflektorem je aperturou kolektoru plocha průmětu reflektoru. Apertura kolektoru se měří snadno, neboť je zvnějšku přístupná. Na její velikosti závisí jak množství kolektorem využitelného záření tak i tepelné ztráty kolektoru, samozřejmě v případě, že apertura je současně i zasklením a nikoli reflektorem.

Jelikož plocha absorbéru je zpravidla menší než plocha apertury, leží v grafickém porovnání křivka účinnosti vztažená k absorbéru vždy výše než křivka účinnosti vztažená k apertuře, naopak nejníže leží křivka účinnosti vztažená k obrysové ploše kolektoru.

Obr.: Definice plochy apertury a absorbéru solárních kolektorů: A) plochý; B) trubkový s plochým absorbérem; C) trubkový s válcovým absorbérem; D) trubkový s válcovým absorbérem a reflektorem

Obr.: Definice plochy apertury a obrysové plochy solárních kolektorů: A) plochý; B) trubkový s plochým absorbérem; C) trubkový s válcovým absorbérem; D) trubkový s válcovým absorbérem a reflektorem

V případě, kdy je prostor pro instalaci solárních kolektorů omezený, může dojít k situaci, že na dané ploše lze plochými kolektory zajistit vyšší výkony a celkové zisky než s trubkovými kolektory bez reflektoru pouze díky výrazně větší využitelné aktivní ploše. To je například případ instalací na střechách bytových domů nebo moderních novostaveb, kde se tepelné kolektory dělí o prostor s fotovoltaickými panely.

Autor článku: Tomáš Matuška, použitá publikace Solární zařízení v příkladech, nakladatelství Grada