Moc/wydajność kolektora słonecznego
Wydajność kolektora słonecznego określić można, analizując jego uzysk energetyczny oraz straty. Te ostatnie występują w postaci strat optycznych oraz cieplnych, natomiast zyski – w postaci energii cieplnej pozyskanej z promieniowania słonecznego. Zagadnienie to zostanie przeanalizowane na przykładzie płaskiego kolektora słonecznego.
Transmisja i absorpcja promieniowania
Dla określenia uzysku w postaci energii promieniowania słonecznego konieczna jest znajomość strumieni energetycznych w obrębie korpusu kolektora słonecznego oraz zjawisk zachodzących w jego wnętrzu (rys. 1 i 2). Do środka kolektora przedostaje się określona ilość promieniowania słonecznego.
Promieniowanie widzialne przedostaje się do wnętrza urządzenia praktycznie bez przeszkód, gdyż szyba solarna ma dużą przepuszczalność, znacznie przekraczającą 90%. Pochłonięta może być jedynie ta wartość promieniowania, która przedostaje się do absorbera przez szybę.
Przeczytaj: Uruchomienie i przeglądy zestawu solarnego >>
Sprawność przepuszczalności promieniowania słonecznego określa się współczynnikiem transmisji t. Promieniowanie to, przedostając się do powłoki absorbera kolektora, prowadzi do jego nagrzania (zjawisko absorpcji).
Każdy nagrzany materiał wysyła promieniowanie proporcjonalne do jego temperatury, powstają więc straty ciepła (zjawisko emisji). Straty te przyjmują postać promieniowania podczerwonego a promieniowanie to nie jest w stanie wydostać się z kolektora słonecznego w wyniku małej przepuszczalności szyby solarnej (efekt cieplarniany we wnętrzu kolektora).
W zależności od właściwości powierzchni pokrywającej absorber dochodzi do zróżnicowania wartości wchłoniętego promieniowania cieplnego. Zjawisko polegające na przemianie promieniowania w ciepło jest porównywalne dla różnych powłok absorbera i określane mianem współczynnika absorpcji e.
Sprawność kolektora słonecznego
Sprawność kolektora obliczyć można za pomocą wzoru:
Absorber standardowy charakteryzuje się praktycznie stałą wartością współczynnika emisji, niezależnie od długości fali promieniowania. Absorber selektywny zachowuje się odmiennie i jego współczynnik emisji w obszarze promieniowania podczerwonego jest o 10% niższy od wartości absorbera standardowego. Powoduje to, że absorber selektywny wysyła mniej promieniowania cieplnego w kierunku szyby solarnej, a efektem są mniejsze straty ciepła wynikające z kontaktu szyby z otoczeniem.
Przeczytaj: Montaż systemu solarnego >>
Straty ciepła w kolektorze słonecznym (opis uproszczony)
Straty optyczne kolektora słonecznego związane są z tą częścią energii promieniowania słonecznego, która nie może być pochłonięta przez absorber. Do ich określenia niezbędna jest znajomość współczynnika transmisji t oraz absorpcji e. Jeżeli natężenie promieniowania słonecznego docierającego do kolektora słonecznego wynosi Es [W/m2], ilość energii, którą wchłonie absorber kolektora, wyniesie: Es · τ · ε (rys. 1), a straty optyczne wyniosą Es (1 – τ · ε).
Straty termiczne w kolektorze zależne są w uproszczeniu od różnicy temperatur pomiędzy absorberem a otoczeniem oraz od konstrukcji kolektora słonecznego. Dla opisania wpływu konstrukcji kolektora na straty termiczne, straty występujące w różnych postaciach (przewodzenie, konwekcja, emisja itd. – rys. 2) określane są łącznie współczynnikiem efektywności przewodzenia (przewodności cieplnej) kef. Straty ciepła Qc określa się zaś jako iloczyn wartości tego współczynnika oraz różnicy temperatur pomiędzy absorberem Ta oraz otoczeniem To: Qc = kef · (Ta – To) (rys. 3).
Krzywa sprawności kolektora słonecznego
Charakterystyka sprawności kolektora słonecznego wynika z bilansu energetycznego pomiędzy uzyskiem wchłoniętego promieniowania słonecznego a stratami optycznymi oraz termicznymi. W uproszczeniu sprawność h jest stosunkiem energii użytecznej kolektora słonecznego Qk do energii docierającego do niego promieniowania słonecznego Es.
Cechą charakterystyczną uzyskanej uproszczonej krzywej sprawności jest jej spadek wraz ze wzrostem różnicy temperatury pomiędzy absorberem a otoczeniem (rys. 3). Straty optyczne są niezależne od tej różnicy temperatur, a straty ciepła zwiększają się wraz z jej wzrostem.
W normach oraz zastosowaniach praktycznych:
- zamiast temperatury absorbera stosuje się średnią temperaturę cieczy solarnej,
- współczynnik przewodności cieplnej kef nie jest wartością stałą i wzrasta przy wyższych temperaturach.
W związku z powyższym w normach międzynarodowych wykorzystuje się najczęściej następującą zależność:
gdzie:
ho – współczynnik konwersji (sprawność optyczna).
gdzie:
Tcs – średnia temperatura cieczy solarnej.
