Solární kolektory

Výkonnost solárních kolektorů

13. 6. 2014

Výkonnost solárních kolektorů je možné definovat jako schopnost kolektoru produkovat energetický zisk za stanovených podmínek. S ohledem na očekávání uživatelů solárních soustav je vhodné hodnotit celoroční měrný tepelný zisk za typických místních klimatických a provozních podmínek. Pro hodnocení výkonnosti solárních kolektorů existuje řada přístupů, které hodnotí celoroční produkci tepla z kolektoru simulačním výpočtem s využitím křivky účinnosti, křivky modifikátoru úhlu dopadu kolektoru, popřípadě tepelné kapacity jako vstupních údajů a databáze hodinových klimatických údajů. mezi základní přístupy patří:

• solární kolektor zapojený do přesně definované solární soustavy s daným solárním pokrytím, např. model pro určení minimálního zisku kolektoru v solární soustavě pro přípravu teplé vody se 40% pokrytím pro udělení známky Modrý anděl (Německo) nebo simulační výpočet zkušebny SPF Rapperswil (Švýcarsko) ve třech typických aplikacích s definovaným solárním pokrytím: solární předehřev teplé vody (25%), solární příprava teplé vody (60%), kombinovaná soustava pro přípravu teplé vody a vytápění (25%)

• solární kolektor nezapojený do solární soustavy, avšak s definovanou a celoročně stálou provozní teplotou: simulační výpočet zkušebny SP Boras (Švédsko) pro provozní teploty 25°C, 50°C, 75°C nebo stanovení křivky měrných teoretických zisků v simulačním modelu VYKON_SK Solární laboratoře ČVUT v Praze.

Simulační model VYKON_SK hodnotí výkonnost (roční teoretické zisky kolektoru) jako parametr vlastní solárnímu kolektoru bez ohledu na provedení zbytku solární soustavy a bez ohledu na využitelnost produkovaných zisků v závislosti na podmínkách odběru tepla aplikace. Program na základě parametrů kolektoru stanovuje pro každou hodinu teoreticky dostupný měrný výkon solárního kolektoru v závislosti na úhlu dopadu slunečního záření a na klimatických podmínkách pro celoročně konstantní teplotu.

Pro vyhodnocení ročního teoreticky dostupného energetického zisku solárního kolektoru jsou kladné hodinové energetické zisky sečteny a záporné nejsou uvažovány. Vstupními údaji pro simulační model VYKON_SK jsou:

• konstanty křivky účinnosti solárního kolektoru stanovené zkouškou v souladu s ČSN EN 12975

• hodnoty modifikátoru úhlu dopadu solárního kolektoru stanovené pro obě hlavní roviny (podélná, příčná) v rozsahu 0° až 90° v rozlišení po 10° v souladu s ČSN EN 12975

• hodinové klimatické údaje: celkové sluneční ozáření na horizontální rovinu, teplota venkovního vzduchu (databáze typického meteorologického roku TMY pro Prahu)

• uvažovaný sklon a orientace solárního kolektoru

V grafu níže jsou porovnány roční měrné zisky různě kvalitních solárních kolektorů dostupných na trhu pro střední teplotu kapaliny v kolektorech 40°C. tepelné zisky solárních kolektorů jsou jednak vztaženy k ploše apertury (modré sloupce), aby bylo možné srovnávat obdobné konstrukce mezi sebou, a jednak k obrysové ploše (šedé sloupce) pro srovnání tepelného zisku ze skutečně zabrané plochy na střeše.

Jakor referenční solární kolektor byl zvolen běžný plochý atmosferický kolektor PK3. Z porovnání výkonnosti kolektorů vztažené k ploše apertury vyplývý, že v případě běžných aplikací s provozní teplotou 40°C produkují kvalitní trubkové vakuové kolektory bez reflektoru (TV) ročně o cca 20 až 30% energie více než běžné ploché kolektory, nicméně méně kvalitní kolektory stejného druhu mohou vykazovat stejný případně i o 30% menší zisk. Trubkové kolektory s reflektorem (TR) vykazují v porovnání výsledky lepší. Vzhledem k obdobné kvalitě trubkových kolektorů s plochým absorbérem (TP) na trhu lze předpokládat, že jejich o 30% vyšší výkonnost oproti plochým kolektorům platí pro tento konstrukční druh obecně. odlišná je situace v případě vztažení výkonnosti solárních kolektorů k obrysové ploše při zjišťování energetického potenciálu dostupné plochy na střeše. Rozdíly mezi referenčním plochým kolektorem a trubkovým vakuovými kolektory obecně nejsou již tak výrazné  (okolo 10% u kvalitních trubkových kolektorů). Navíc, zvláště trubkové kolektory typu Sydney bez reflektoru mohou vykazovat vzhledem k vysokému podílu neúčinné plochy (až 40%) i výrazně nižší výkonnost (některé varianty i o více jak 30%) než referenční plochý kolektor.

Obr.: Roční měrné zisky srovnávaných kolektorů podle apertury (modrý sloupec) a podle obrysové plochy (šedý sloupec) pro nízkoteplotní aplikace

Poměry se výrazně změní při vysokých provozních teplotách využitelných například pro solární chlazení. Neselektivní plochý kolektor PK vykazuje zcela zanedbatelný zisk. Oproti plochému atmosferickému kolektoru vykazují kvalitní trubkové vakuové kolektory více než dvojnásobný přínos i při vztažení zisků k hrubé ploše kolektoru. Stejně tak ovšem platí, že nekvalitní trubkové kolektory dostupné na trhu ani při této vysoké teplotě výkonnosti plochého kolektoru nedosáhnou.

Vliv umístění solárních kolektorů na výkonnost

Pro srovnání vlivu orientace a sklonu kolektorů na výkonnost, jsou porovnány typické kvalitní kolektory zastupující jednotlivé konstrukční druhy s odpovídajícími optickými charakteristikami. O optimálním umístění plochy jímající sluneční záření již bylo obecně uvedeno v předchozí kapitole, že by měl být dodržen minimální odklon od jihu do nejvýše jihovýchodní a jihozápadní orientace a větší odklony mohou přinášet již významný pokles úhrnu dopadající sluneční energie.

V případě nutného odklonu kolektoru od jihu je výhodnější orientace kolektoru k západu, vzhledem k vyšším teplotám okolního vzduchu (nižším tepelným ztrátám) v době provozu kolektoru. U plochého kolektoru je vhodný rozsah orientace i sklonu sevřenější než u trubkového kolektoru vzhledem k odlišné optické charakteristice kolektoru, neumožňující tolik využívat sluneční záření dopadající při vyšších úhlech dopadu na rovinu kolektoru.

V tabulce níže jsou uvedeny změny výkonnosti pro základní orientace solárních kolektorů vůči světovým stranám oproti čistě jižní orientaci pro plochý kolektor a trubkový kolektor s válcovým absorbérem při sklonu 45°. Zatímco orientace v rozsahu jihovýchod až jihozápad způsobuje snížení výkonnosti kolektorů řádově do 10%m při orientacích na čistý východ, resp. západ, se jedná o významně vyšší pokles o více než 20%, resp. více naž 30%. Díky výhodnější optické charakteristice trubkového Sydney kolektoru je pokles výkonnosti s orientací utlumen na nižší hodnoty.

Při nevhodné orientaci střechy pro instalaci solárních kolektorů ve směru východ-západ je nutné počítat s adekvátně sníženými zisky solárních kolektorů během roku. Alternativně lze uvažovat o umístění solárních kolektorů na štítové straně na konstrukci s orientací jižní s požadovaným optimálním sklonem.

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