Analiza podstawowych parametrów kolektorów słonecznych.Niezbędnik instalatora słonecznych systemów grzewczych cz. 9

Wymiary kolektora słonecznego, powierzchnie odniesienia

Każdy producent podaje w dokumentacji technicznej wymiary i odpowiadające im powierzchnie danego kolektora słonecznego. W nomenklaturze znane są pojęcia powierzchni absorbera (czynnej), apertury oraz powierzchni brutto. O ile ustalenie wielkości tych powierzchni w kolektorze płaskim teoretycznie wydaje się proste (rys. 1), o tyle w kolektorach próżniowych bywa z tym różnie (rys. 2).

Może się zdarzyć, że dwa identyczne kolektory słoneczne będą w dokumentacjach mieć różne powierzchnie brutto. Jeden producent będzie podawał powierzchnię brutto wynikającą z wymiarów obudowy kolektora (co jest zgodne z normą [1], która określa powierzchnię brutto jako powierzchnię maksymalną kolektora z wyłączeniem króćców lub elementów montażowych), drugi uzna, że króćce wystające poza obudowę zwiększają powierzchnię brutto.

Może to odgrywać rolę, jeżeli w specyfikacji istotnych warunków zamówienia danego przetargu znajdzie się zapis, że kolektor słoneczny powinien mieć powierzchnię brutto przekraczającą określoną wartość. W przypadku kolektora pionowego o wymiarach 2×1 m (pow. brutto 2 m²) króćce wystające np. o 30 mm poza obrys spowodują zwiększenie powierzchni brutto do 2,12 m².

Powierzchnia apertury określana jest w normie [1] jako rzut niezacienionej powierzchni, przez którą promieniowanie słoneczne wchodzi do kolektora. Oznacza to, że w przypadku płaskiego kolektora słonecznego nie należy tej powierzchni kojarzyć z powierzchnią szyby, która przykryta jest zwykle na obwodzie listwą ozdobną, niekiedy dodatkowo uszczelką, co zmniejsza powierzchnię wejścia promieniowania.

W przypadku próżniowych kolektorów słonecznych bez lustra powierzchnia apertury określana jest iloczynem wewnętrznej średnicy rury szklanej, długości niezacienionej cylindrycznej rury oraz liczby rur w kolektorze. Jeżeli kolektor próżniowy ma lustro, powierzchnia apertury jest obliczana jako iloczyn wymiarów zewnętrznych (długości i szerokości) lustra. Zwykle nikogo nie interesuje, czy lustro jest płaskie czy profilowane.

Powierzchnia absorbera według normy ISO 9806-1 jest maksymalną wartością powierzchni rzutu absorbera.

Sprawność kolektora słonecznego jest stosunkiem jego mocy użytecznej do mocy promieniowania słonecznego do niego docierającego. Moc użyteczna jest iloczynem przepływu masowego m, ciepła właściwego cieczy roboczej c_p oraz różnicy temperatury tej cieczy na wylocie i wlocie z kolektora (T_wy – T_we) [2], natomiast moc promieniowania słonecznego jest iloczynem natężenia promieniowania słonecznego E_s oraz powierzchni odniesienia A:

gdzie:

m – przepływ masowy, kg/s;

c_p – ciepło właściwe, kJ/kgK;

T_wy – temperatura na wylocie, K;

T_we – temperatura na wlocie, K;

A – powierzchnia odniesienia, m²;

E_s – natężenie promieniowania, kW/m².

Z powyższego wzoru wynika jednoznacznie, że duża powierzchnia odniesienia prowadzi do niższych wartości sprawności.

Sprawność kolektora słonecznego spada w wyniku wzrostu strat ciepła wraz ze wzrostem temperatury cieczy roboczej, uwidacznia się to w krzywej sprawności kolektora słonecznego [2]:

W przypadku stałej różnicy temperatur pomiędzy temperaturą cieczy a temperaturą otoczenia straty ciepła pozostają stałe, niezależnie od wielkości przyjętej powierzchni odniesienia. Przyjęcie dużej powierzchni odniesienia prowadzi do uzyskania niskich wartości współczynników k₁ i k₂, z kolei przyjęcie małej powierzchni odniesienia wiąże się z uzyskaniem wysokich wartości tych współczynników.

Uwidocznione to zostało w tabeli 1, gdzie przedstawiono dane dla trzech wybranych kolektorów słonecznych, które przebadano w Instytucie Rapperswil w Szwajcarii (płaskiego – test/certyfikat: scf1588de/011-7s2166f, próżniowego rurowego z płaskim absorberem – scf1546de/011-7s2013R oraz próżniowego rurowego z absorberem cylindrycznym, wyposażonego w lustro CPC – scf927de/011-7s411R) [3, 4].

W tabeli zauważyć można charakterystyczną cechę kolektorów wyposażonych w lustro CPC – mianowicie ich powierzchnia absorbera jest większa od powierzchni apertury, może być nawet w przypadku niewłaściwej interpretacji zakrzywionej powierzchni lustra większa od powierzchni brutto.

Również w przypadku kolektorów płaskich może się zdarzyć, gdy blacha absorbera wewnątrz korpusu kolektora ma wymiary większe od wymiarów okna wpadania promieniowania słonecznego, że powierzchnia absorbera będzie większa od powierzchni apertury. Instytuty badawcze w różny sposób interpretują to zjawisko.

W celu porównania krzywych sprawności analizowanych kolektorów sporządzono rys. 3–5. Dotyczą one natężenia promieniowania słonecznego 1000 W/m², które jest w przybliżeniu wartością stosowaną w trakcie badań kolektorów słonecznych.

Analizując wykresy, zauważyć można, że niemożliwe jest jednoznaczne stwierdzenie, który kolektor słoneczny ma najkorzystniejszą krzywą sprawności, chyba że ograniczymy się do porównania ich pod kątem powierzchni absorbera. Okaże się wówczas, że wybrany kolektor próżniowy rurowy z płaskim absorberem ma najkorzystniejszą krzywą sprawności w całym zakresie różnicy temperatury pomiędzy temperaturą cieczy a temperaturą otoczenia.

Krzywe sprawności przy średniej wartości natężenia promieniowania słonecznego 400 W/m² porównano na rys. 6–8.

W zależności od rodzaju powierzchni odniesienia sformułować można indywidualnie wniosek o lepszej krzywej sprawności wybranego przez oferenta kolektora słonecznego. Widać również, że najlepszą powierzchnią odniesienia dla kolektora płaskiego jest powierzchnia brutto.

Podsumowując, stwierdzić można, że kierowanie się wyłącznie krzywą sprawności może prowadzić do błędnego wyboru kolektora słonecznego, chyba że niezależnie od rodzaju powierzchni odniesienia jeden z kolektorów będzie miał najlepszą krzywą sprawności.

Uzyski energetyczne kolektorów słonecznych

Certyfikat jakości kolektora słonecznego Solar Keymark umożliwia porównanie kolektorów słonecznych pod względem uzysków cieplnych. W tabeli 2 przedstawiono prognozowane uzyski energetyczne w kWh analizowanych powyżej kolektorów słonecznych dla lokalizacji w niemieckim Würzburgu, dla trzech wybranych wartości różnicy temperatury między temperaturą absorbera i otoczenia.

Z uwagi na różną wielkość analizowanych kolektorów powyższe uzyski nie mogą zostać bezpośrednio porównane. Porównanie uzysków jednostkowych w kWh/m² (przypadających na jednostkę powierzchni kolektora) może dać nieco wyraźniejszy obraz. W tym celu sporządzono tabelę 3 oraz rys. 9a–c – odpowiednio dla powierzchni brutto, apertury oraz absorbera.

Również to porównanie nie pozwala uzyskać jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, który z analizowanych kolektorów słonecznych uzyskuje największą wydajność. W zależności od poziomu wymaganych temperatur, a co za tym idzie sposobu wykorzystania kolektorów słonecznych (podgrzew wody basenowej, ciepła woda użytkowa, wspomaganie ogrzewania lub wysokotemperaturowe instalacje przemysłowe), należy wybierać odpowiedni kolektor.

Jeżeli na przykład ograniczeni jesteśmy wielkością dostępnej powierzchni pod kolektory, to wypada przy doborze kierować się powierzchnią brutto. Wówczas okaże się, że do instalacji basenowych (różnica temperatur pomiędzy temperaturą absorbera i otoczenia poniżej 25°C) idealny jest kolektor płaski.

Będzie on jeszcze mógł konkurować z kolektorami próżniowymi w przypadku ciepłej wody użytkowej, ale w instalacjach o wymaganych wyższych różnicach temperatur ujawni się wyższość kolektorów próżniowych. Przy porównywaniu jednostkowych uzysków energetycznych urządzeń określony kolektor słoneczny może mieć najkorzystniejsze uzyski energetyczne.

Temperatura stagnacji jako parametr decydujący o wyborze

W ostatnim czasie temperatura stagnacji kolektorów słonecznych jest coraz częściej parametrem umieszczanym w SIWZ przetargów publicznych. Wyjaśnienia wymaga, dlaczego parametr ten pojawia się jako argument przetargowy, skoro wiadomo, że kolektory słoneczne mające najkorzystniejsze krzywe sprawności charakteryzują się również najwyższymi wartościami temperatur stagnacji, które ustalone zostały na podstawie tych krzywych?

Temperatura stagnacji określana jest dla sprawności równej zeru. Zilustrowano to na rys. 10 dla dwóch identycznych płaskich kolektorów słonecznych (identyczne wymiary, absorber, apertura) przy 1000 W/m².

Jeżeli przyjąć temperaturę otoczenia wynoszącą 30°C, temperatura stagnacji dla kolektora nr 1 (o korzystniejszej krzywej sprawności) wyniesie ponad 180°C, a dla kolektora nr 2 ok. 155°C. Czy oznacza to, że należy bezkrytycznie wybrać kolektor nr 1?

W tym miejscu trzeba zadać pytanie, jakiej cieczy użyto w trakcie ustalania krzywej sprawności tych kolektorów słonecznych i jakie było jej ciśnienie. Informacja ta jest skrzętnie ukrywana przez niektórych producentów, ponieważ w zależności od zawartości glikolu w znacznym stopniu zmienia się przewodność cieplna cieczy solarnej (rys. 11), co wpływa na efektywność kolektora.

Zawartość glikolu wpływa na temperaturę wrzenia cieczy solarnej (rys. 12), a zatem będzie również wpływała na poziom temperatury stagnacji. Również poziom ciśnienia cieczy roboczej odgrywa, jak widać, znaczną rolę. Duże ciśnienie cieczy może całkowicie zabezpieczyć kolektor słoneczny o bardzo niskiej temperaturze stagnacji. Temperatura stagnacji może być bowiem niższa od temperatury wrzenia cieczy roboczej.

Żeby porównać dwa kolektory słoneczne pod względem temperatury stagnacji, trzeba zapewnić identyczne warunki do badania urządzeń. Często nie da się tego osiągnąć, choćby z tej przyczyny, że instytuty badawcze mają laboratoria rozmieszczone na różnej szerokości geograficznej, co powoduje, że kolektory badane są przy różnej wartości kąta nachylenia.

Parametr ten odgrywa dużą rolę m.in. wtedy, gdy kolektory słoneczne różnią się pod względem łatwości opróżniania z cieczy solarnej. Jednak informacji o tym, pod jakim kątem nachylony był kolektor, raczej nie znajdzie się w dokumentach udostępnianych przez niektórych producentów.

Dodatkowo na tabliczce znamionowej kolektora słonecznego pojawia się temperatura stagnacji kolektora ustalana według normy i może się ona znacznie różnić od temperatury stagnacji ustalonej z krzywej sprawności, co omówiono już w [2].

Parametry a cena elementów składowych kolektora słonecznego

Użytkownik kupuje gotowy produkt i praktycznie nie jest w stanie ocenić, czy jest on zgodny z załączonymi dokumentami, takimi jak certyfikat Solar Keymark czy dokumentacja techniczno-ruchowa (DTR).

Na przykładzie płaskiego kolektora słonecznego można wymienić pytania, jakie użytkownik powinien zadać sprzedającemu, zwłaszcza gdy intryguje go niska cena oferowanego urządzenia. Pierwsze pytanie dotyczyć może szyby solarnej (przykrycia) – nie ma ona zwykle logotypu i oznaczeń producenta, tak jak w samochodach, a jest przecież elementem decydującym o sprawności optycznej kolektora i musi być m.in. odporna na gradobicie i tzw. bezpieczna.

Tego, jaki współczynnik transmisji i grubość ma ta szyba, można się dowiedzieć, docierając do pełnego sprawozdania z badań kolektora słonecznego. Znaleźć tam można tabele, w których ujęte zostały podstawowe informacje o elementach kolektora. Dotyczą one szyby (przykrycia), absorbera kolektora słonecznego, którego koszt jest największą pozycją w kosztach materiałowych, obudowy, a także izolacji cieplnej (tabela 4).

Oprócz analizowanych parametrów wpływu w sprawozdaniu znaleźć można kolejną tabelę informującą o sposobie i miejscu wykonania badań (tabela 5).

W sprawozdaniu znaleźć można również schemat absorbera oraz krzywą oporów przepływu.

Tylko szczegółowe informacje zamieszczone w sprawozdaniu z badań mogą pozwolić na poszerzenie wiedzy o kupowanym kolektorze słonecznym. Autor wysłał do największych polskich producentów mail o treści: „Szanowni Państwo, przymierzam się do napisania artykułu pt. Porównanie wydajności kolektorów słonecznych największych polskich producentów posiadających Solar Keymark.Czy mogę prosić w związku z tym o udostępnienie kopii pełnych sprawozdań z badań Państwa kolektorów?”. Pozytywnie odpowiedziały jedynie dwie firmy. Dlatego chociażby w trakcie szkoleń dla instalatorów, przeprowadzanych przez autora w ramach programów unijnych, trudno odpowiedzieć na pytanie, jaki kolektor słoneczny jest godny polecenia.

Trudno też zrozumieć, dlaczego ustawodawca nie narzucił obowiązku ujawniania danych sprzedawanego towaru, jakim jest również kolektor słoneczny.

Literatura

1. ISO 9806:2013 Solar energy. Solar thermal collectors. Test methods.
2. Chodura J. Charakterystyka techniczna kolektorów słonecznych, „Rynek Instalacyjny” nr 12/2013.
3. solarkey.dk/solarkeymarkdata/qCollectorCertificates/ShowQCollectorCertificatesTable.aspx.
4. spf.ch/Kollektoren.111.0.html.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!