Charakterystyka techniczna kolektorów słonecznych. Niezbędnik instalatora słonecznych systemów grzewczych. Cz. 7.

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.

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.

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) k_ef. Straty ciepła Q_c 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 k_ef nie jest wartością stałą i wzrasta przy wyższych temperaturach.

W związku z powyższym w normach międzynarodowych wykorzystuje się najczęściej następującą zależność:

gdzie:

h_o – współczynnik konwersji (sprawność optyczna).

gdzie:

T_cs – średnia temperatura cieczy solarnej.

gdzie:

T_wy i T_we – temperatura cieczy, odpowiednio na wyjściu i wejściu z kolektora.

gdzie:

k₁, k₂ – liniowy i kwadratowy składnik współczynnika przewodności cieplnej.

Ostatecznie wzór na sprawność kolektora słonecznego przyjmie postać równania drugiego stopnia:

Temperatura stagnacji

Jeśli nie wykorzystuje się energii użytecznej kolektora, wzrasta w nim temperatura, aż do momentu osiągnięcia stanu równowagi pomiędzy jego uzyskiem a stratami. Oznacza to, że cała pozyskana przez kolektor energia słoneczna przeznaczona jest na pokrycie strat.

Tym samym niemożliwe jest w tym przypadku uzyskanie jakiejkolwiek energii użytecznej, innymi słowy sprawność kolektora słonecznego jest równa zeru (h = 0). Temperatura stagnacji określana jest również mianem temperatury postojowej, gdyż zatrzymuje się przyrost temperatury kolektora.

Temperatura stagnacji jest zróżnicowana w zależności od wartości występującego natężenia promieniowania słonecznego, co można przedstawić, wykorzystując wzór na sprawność kolektora słonecznego (przyjęto kolektor słoneczny o parametrach ho = 0,8, k₁ = 3,5, k₁ = 0,005, wartość natężenia promieniowania E_s = 1000, 800, 400 i 100 kW/m² – rys. 4).

Dla przedstawionego powyżej kolektora temperatura stagnacji przy pełnym nasłonecznieniu i temperaturze otoczenia przekroczy 200°C. Należy jednak zwrócić uwagę, że również przy małych wartościach nasłonecznienia oraz przy ujemnej temperaturze otoczenia możliwe jest powstanie w kolektorze wysokich temperatur. Można również zauważyć, że wzrost prowadzi do zwiększenia strat cieplnych w kolektorze.

Kolektor słoneczny o korzystniejszej krzywej sprawności osiąga wyższą temperaturę stagnacji, a co za tym idzie ciecz solarna znajdująca się w nim poddana będzie działaniu wyższych temperatur niż w kolektorze słonecznym o niższej sprawności. Wyższa temperatura stagnacji wymaga od producenta kolektorów słonecznych zapewnienia większego bezpieczeństwa technicznego oraz ochrony podzespołów instalacji solarnej przy niekorzystnych warunkach pracy.

Można to osiągnąć na przykład poprzez skonstruowanie kolektora słonecznego, który będzie pracował z bardzo wysoką sprawnością w zakresie normalnej temperatury roboczej (np. do 150°C), a następnie nastąpi jego „wyłączenie” i co za tym idzie ograniczenie temperatury stagnacji w wyniku gwałtownego spadku sprawności.

Rozwiązanie takie jest dostępne na rynku na przykład w postaci kolektora słonecznego typu heat-pipe z zamontowanym bezpiecznikiem temperaturowym w skraplaczu. Bezpiecznik ten w formie zaworu zwrotnego zamyka dopływ gorącego medium grzewczego z rurki heat-pipe do skraplacza. Tym samym uniemożliwia wzrost temperatury medium grzewczego w kolektorze.

Wysoka temperatura stagnacji bywa wykorzystywana w przetargach publicznych jako dodatkowy parametr decydujący o wyborze kolektora słonecznego. Ale nie bierze się pod uwagę konieczności zastosowania dodatkowych zabezpieczeń podzespołów instalacji solarnej lub specjalnych cieczy solarnych odpornych na przyspieszone starzenie się w ekstremalnych warunkach pracy.

Wykorzystuje się również nieświadomość osób zasiadających w komisjach przetargowych. W przypadku wielu instytucji badających kolektory słoneczne temperatury stagnacji nie określa się z krzywej sprawności kolektora słonecznego napełnionego cieczą (jak wyżej), ale przy wysokim nasłonecznieniu w stanie nienapełnionym, przy jednym otwartym króćcu kolektora. Stan ten wydaje się mieć niewiele wspólnego z rzeczywistym trybem pracy kolektora słonecznego.

Dodatkowo w normie PN-EN 12975-2:2006 widnieje zapis, że pomiar temperatury stagnacji powinien być wykonany na absorberze pośrodku szerokości kolektora słonecznego, na 2/3 jego wysokości.

Nie przewidziano, że w przypadku jednych konstrukcji kolektora słonecznego w tym wyznaczonym punkcie kolektora słonecznego będzie się znajdowała cienka blacha absorbera, a w przypadku innych w tym miejscu może się znaleźć rurka przepływowa absorbera o znacznie większej grubości. Producent tego drugiego rozwiązania, dla którego krzywa sprawności jest korzystniejsza, może przegrać przetarg ze względu na niższą temperaturę stagnacji w certyfikacie.

Proces pozyskiwania energii cieplnej przez kolektor słoneczny

Dla wykorzystania energii wytworzonej w kolektorze słonecznym niezbędne jest jej przesłanie przez obwód solarny do zasobnika. Efektywność tego procesu zależy od parametrów roboczych kolektora. Do określenia wartości tej energii niezbędna jest znajomość parametrów materiałowych cieczy, takich jak jej gęstość r oraz przewodność cieplna c_p.

Po zdefiniowaniu warunków roboczych, takich jak temperatura na wejściu Twe oraz wyjściu Twy,jak również przepływ masowy v, możliwe jest określenie mocy cieplnej kolektora słonecznego. Uwzględniając odpowiedni interwał czasowy pracy kolektora, możliwe jest wyznaczenie jego uzysku energetycznego.

Uwzględniając fakt, że promieniowanie słoneczne przedostaje się do wnętrza kolektora słonecznego poprzez określoną powierzchnię (apertury; rys. 5), określić można moc promieniowania przypadającego na ten kolektor jako iloczyn powierzchni apertury kolektora A [m²] oraz natężenia promieniowania Es [W/m²].

Moc cieplną kolektora słonecznego określić można za pomocą zależności:

Uzysk cieplny kolektora słonecznego w jednostce czasu Δt wynosi:

Uzysk cieplny kolektora słonecznego w tej jednostce czasu odniesiony do wartości panującego w tym samym czasie natężenia promieniowania słonecznego mówi o sprawności chwilowej kolektora.

Natężenie promieniowania słonecznego w jednostce czasu Δt wynosi:

Sprawność kolektora słonecznego w jednostce czasu Δt wynosi:

Za pośrednictwem powyżej przedstawionych zależności wyznaczyć można przyrost temperatury ΔT, jak również wartość przepływu v, to jest parametrów, które odgrywają dużą rolę w działaniu kolektora słonecznego.

Wyznaczenie przyrostu temperatury oraz wielkości strumienia przepływu

Przekształcając powyższe zależności, wyznaczyć można przyrost temperatury oraz wartość strumienia w kolektorze słonecznym w określonym przedziale czasowym pod działaniem określonej wartości natężenia promieniowania słonecznego:

Porównanie uzysku cieplnego kolektorów słonecznych

Porównując kolektory słoneczne, nie można się kierować ich chwilowymi parametrami, jakimi są moc czy przyrost temperatury. Zmieniają się one bowiem podczas pracy kolektora w sposób ciągły, w zależności od promieniowania słonecznego oraz przepływu masowego cieczy roboczej przez kolektor słoneczny. Kryterium porównawczym może być uzysk cieplny kolektora słonecznego w określonym przedziale czasu.

Szczegóły techniczne kolektorów słonecznych

Bardzo ważnym zagadnieniem są szczegóły techniczne kolektorów słonecznych – np. sposób połączenia rurek przepływowych z blachą absorbera, umieszczenie czujnika temperatury, połączenie kolektorów miedzy sobą. Będzie to tematem kolejnego artykułu.  

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!