1/89
Solární kolektory typy účinnost použití
2/89
Fototermální přeměna jímací plocha (obecně kolektor) plocha, na které se sluneční záření pohlcuje a mění na teplo (kolektor – zasklení, absorbér) akumulátor (zásobník tepla) uchování solárních zisků pro využití (akumulační zásobník, stěna, hmota v prostoru, ...) spotřebič příprava teplé vody, vytápění, chlazení, prostor
3/89
Solární kolektor
Transparentní kryt - zasklení Sběrná trubka pro odvod tepla
Absorbér
Tepelná izolace Trubky s teplonosnou látkou Rám kolektoru
4/89
Solární kolektory - rozdělení
5/89
Vzduchové solární kolektory teplonosnou látkou je vzduch ohřívá se vně nebo uvnitř absorbéru nízká tepelná kapacita, vysoké průtoky, velké rozměry spotřeba el. energie na pohon použití: zemědělství – sušení obytné budovy – ohřev větracího vzduchu
6/89
Vzduchové solární kolektory Zasklení
Přírubový rám Izolace
Žebrový absorbér
Vana
7/89
Vzduchové solární kolektory
integrace do střešního pláště
8/89
Vzduchové solární kolektory
9/89
Kapalinové solární kolektory teplonosnou látkou je kapalina (voda, nemrznoucí směs, olej, atd.)
energie pohlcená na povrchu absorbéru je odváděna teplonosnou látkou proudící uvnitř trubek absorbéru
10/89
Nekryté solární kolektory teplotní hladiny do 40 °C vhodné pro sezónní aplikace, ohřev bazénové vody výrazně závislé na okolních podmínkách (teplota, proudění vzduchu)
11/89
Ploché kryté solární kolektory
12/89
Ploché kryté solární kolektory
1 rám 2 těsnění 3 transparentní kryt 4 tepelná izolace 5 absorbér 6 trubkový registr
13/89
Ploché solární kolektory výhodné z hlediska integrace do obálky budovy střecha fasáda
14/89
Ploché vakuové solární kolektory podtlak pro omezení tepelných ztrát (absolutní tlak 1 až 10 kPa) zatížení plochého krycího skla (opěrky)
sálání zadní strany absorbéru je nutné stínit
15/89
Vakuové trubkové solární kolektory jednostěnná vakuová trubka plochý absorbér
vakuum 1 mPa
dvojstěnná vakuová trubka (Sydney) válcový absorbér
16/89
Vakuové trubkové solární kolektory Jednostěnná vakuová trubka s plochým absorbérem přímo protékaný registr (PP)
velmi kvalitní přestup tepla z absorbéru do kapaliny
17/89
Vakuové trubkové solární kolektory Jednostěnná vakuová trubka s plochým absorbérem tepelná trubice (TT)
velmi kvalitní přestup tepla z absorbéru na výparník tepelné trubice
18/89
Vakuové trubkové solární kolektory
zdroj: Viessmann
19/89
Vakuové trubkové solární kolektory Dvojstěnná vakuová Sydney trubka s válcovým absorbérem přímo protékaný registr (s kontaktní lamelou), PP
nezbytná tepelně vodivá teplosměnná lamela mezi absorbérem a trubkovým registrem
20/89
Vakuové trubkové solární kolektory Dvojstěnná vakuová Sydney trubka s válcovým absorbérem tepelná trubice (s kontaktní lamelou), TT
nezbytná tepelně vodivá teplosměnná lamela mezi absorbérem a trubkovým registrem
21/89
Vakuové trubkové Sydney kolektory kontaktní lamela
napojení PP potrubí
reflektor
zdroj: OPC
Sydney trubky
22/89
Vakuové trubkové Sydney kolektory
23/89
Vakuové trubkové solární kolektory
barium pro pohlcení plynů změna barvy
24/89
Vakuové trubkové solární kolektory
vakuová izolace = sníh či námraza odtává velmi pomalu akumulace sněhu: problematické použití reflektoru, šikmá střecha
25/89
Ploché solární kolektory x odtávání
tepelné ztráty umožňují provoz i v době zvýšené sněhové pokrývky
26/89
Trubkové kolektory - tepelná trubice (TT) odvod tepla do teplonosné kapaliny
sluneční energie pohlcená absorbérem
teplo přijaté výparníkem tepelné trubice
27/89
Trubkové kolektory - tepelná trubice (TT) zdroj: Viessmann
suché napojení tepelné trubice kondenzátor uložen v pouzdru pouzdro omývané teplonosnou látkou
28/89
Trubkové kolektory - tepelná trubice (TT) mokré napojení tepelné trubice kondenzátor tepelné trubice přímo omývaný teplonosnou látkou
29/89
Trubkové solární kolektory s reflektorem zrcadlový odraz difúzní odraz trvanlivost optické kvality odrazného plechu zachycování a kumulace sněhu (ledu), poničení trubek zvýšení aktivní plochy kolektoru (apertury)
30/89
Koncentrační solární kolektory koncentrace přímého slunečního záření odrazem (zrcadla) x lomem (čočky) lineární ohnisko parabolický reflektor Winstonův kolektor kolektor s Fresnellovou čočkou bodové ohnisko paraboloidní reflektor fasetové reflektory, heliostaty
31/89
Koncentrační solární kolektory (odraz)
32/89
Kolektory s Fresnellovými čočkami (lom) přechod mezi aktivními a pasivními prvky
zdroj: ENKI
33/89
Solární kolektory - princip
Odraz na absorbéru
Tepelná ztráta zasklením
Odvod tepla teplonosnou látkou pro využití
Odraz na zasklení Dopadající sluneční záření Tepelné ztráty zadními a bočními stěnami
34/89
Zasklení solárního kolektoru jednoduché zasklení sklo s nízkým obsahem FeO3 („solární“, „nízkoželezité“) snížení pohltivosti materiálu zasklení antireflexní povlaky snížení odrazivosti rozhraní sklo-vzduch prizmatické sklo (pyramidový vzor, textura) zvýšení propustnosti při vyšších úhlech dopadu dvojité zasklení solární sklo + folie (teflon), nižší ztráty, nižší propustnost
35/89
Optické ztráty odrazem odraz na každém rozhraní sklo-vzduch 4 % (při kolmém dopadu) prakticky nezávislé na tloušťce
1% 100 %
91 %
4%+4%
36/89
Antireflexní (AR) povlaky odrazivost se sníží na 1,5 % na každém rozhraní sklo-vzduch vrstva s významně nižším indexem lomu (mechanické, chemické procesy) 1% 100 %
96 %
3% dvojité zasklení se 4 AR povlaky: propustnost 92 % > jednoduché zasklení bez AR povlaků 91 %
37/89
Tepelné ztráty kolektoru komůrkové struktury
tepelná ztráta zasklením cca 75-85 % celkové ztráty násobná zasklení speciální struktury voštinové struktury
aerogel
38/89
Optické vlastnosti zasklení - propustnost ~ konst
39/89
Tepelné ztráty
x
optická účinnost
40/89
Absorbér solárního kolektoru teorie záření, radiační vlastnosti těles pohltivost α + odrazivost ρ = 1 (pro záření nepropouštějící tělesa) pro danou vlnovou délku záření λ platí: pohltivost αλ = emisivita ελ
absolutně černá tělesa: α = 1, ρ = 0
pro všechny vlnové délky
absolutně bílá tělesa: α = 0, ρ = 1
pro všechny vlnové délky
šedá tělesa 0 < α = αλ < 1, ρ = 1 – α
pro všechny vlnové délky
selektivní tělesa 0 < αλ < 1, ρλ = 1 – αλ
αSOL ≠ εIR
41/89
Selektivita povrchu absorbéru ideálně ρ = 1, α = ε = 0
oblast vlnových délek slunečního záření
ideálně ρ = 0, ε = α = 1
oblast vlnových délek infračerveného záření
42/89
Selektivní povrchy galvanické vytvoření struktury elektrochemickou cestou tyčinky na velmi odrazivém materiálu (substrátu), α = 0,93 – 0,96, ε = 0,10 – 0,16
keramicko-kovové (ceramic-metal: cermet) naprašováním, PVD proces, velmi kvalitní povrchy, α = 0,95, ε = 0,05
nátěry výrazně horší vlastnosti, α = 0,92, ε = 0,85
43/89
Energetická bilance solárního kolektoru dQ & = Q s − Q& z,o − Q& z,t − Q& k dt
obecný zápis
Q& k = Q& s − Q& z,o − Q& z,t
ustálené podmínky dQ/dt = 0
Qs
dopadající výkon sl. záření
Qs = G.Ak
Qz,o
optické ztráty
Qz,o = Qs - Qsτα
Qz,t
tepelné ztráty
Qz,t = U.Ak (tabs – te)
Qk
tepelný výkon kolektoru
Qk = M⋅c⋅(tk2 – tk1)
44/89
Výkon a účinnost solárního kolektoru výkon kolektoru: Q& k = GAkτα − UAk (t abs − t e )
účinnost vztažená ke střední teplotě absorbéru: GAkτα − UAk (t abs − t e ) Q& k Q& k = η= & = GAk Q s GAk (t abs − t e ) η = τα − U G
45/89
Účinnost solárního kolektoru
( t abs − t e ) η = τα − U G
τ ... propustnost slunečního záření zasklení [-] α ... pohltivost slunečního záření absorbéru [-] U ... součinitel prostupu tepla kolektoru [W/m2.K] tabs ... střední teplota absorbéru [°C] te ... teplota okolí [°C]
46/89
Účinnost solárního kolektoru ~ (1-τα) ~ U(tabs-te)
47/89
Tepelné ztráty solárního kolektoru Ub Up
Uz
Q& z,t = U p A k (t abs − t e ) − U z Ak (t abs − t e ) − U b Ab (t abs − t e ) = UAk (t abs − t e )
48/89
Tepelné ztráty kolektoru v detailu
49/89
Přenos tepla z povrchu absorbéru
50/89
Účinnost solárního kolektoru
( t abs(t m− − t e t)e ) ηη ==Fτα '⋅τα − U− U G G
F’ ... účinnostní součinitel kolektoru > 0.90 závisí na geometrii a tepelných vlastnostech absorbéru tm ... střední teplota teplonosné kapaliny v kolektoru tm = (tk1+tk2)/2
51/89
Účinnostní součinitel kolektoru F’ závisí na geometrických vlastnostech absorbéru geometrických vlastnostech absorbéru: rozteč trubek, průměr trubek, tloušťka spoje trubka-absorbér, tloušťka absorbéru fyzikálních vlastnostech absorbéru: tepelná vodivost absorbéru, tepelná vodivost spoje trubkaabsorbér proudění uvnitř trubek: přestup tepla ze stěny trubky do kapaliny celkový součinitel prostupu tepla kolektoru U
52/89
Vliv materiálu a geometrie absorbéru 1,0
1,0 měď (Cu) 390 W/(m.K)
W = 50 mm
hliník (Al) 250 W/(m.K)
0,8
W = 125 mm
0,8
ocel (Fe) 100 W/(m.K)
W = 200 mm
0,6
η [-]
η [-]
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
0,0 0,00
0,0 0,00
0,05
0,10
0,15 2
(t m - t e)/G [m .K/W]
0,20
0,05
0,10
0,15
(t m - t e)/G [m2.K/W]
0,20
53/89
Plastové absorbéry tepelná vodivost plastů: 0,2 W/(m.K) pro zajištění dostatečného přenosu tepla: malé rozteče trubek silné stěny
měď: 390 W/(m.K)
54/89
Vliv spoje na účinnost přiložený
naklapnutý
55/89
Trubkové Sydney kolektory - lamela
dáno Sydney trubkou
( t m − te ) η = F ' ⋅ τ ⋅α − U ⋅ G
kontaktní lamela: krátká, vodivá, silná, s velmi těsným kontaktem
56/89
Vliv kontaktní lamely na účinnost (PP) Vakuové Sydney kolektory s přímo protékaným (PP) U-registrem
G > 700 W/m2
kontaktní lamela je zásadním prvkem Sydney kolektoru
57/89
Zkoušení solárních kolektorů (podle EN) ČSN EN 12975-1,2 (v českém překladu) Zkoušky výkonové tepelný výkon a účinnost kolektoru modifikátor úhlu dopadu (vliv úhlu dopadu na výkon kolektoru) účinná tepelná kapacita kolektoru (setrvačnost kolektoru), časová konstanta
58/89
Zkoušení solárních kolektorů (podle EN) ČSN EN 12975-1,2 Zkoušky spolehlivosti vnitřní přetlak odolnost proti vysokým teplotám vystavení vnějším vlivům vnější tepelný ráz vnitřní tepelný ráz průnik deště (zasklené) mechanické zatížení odolnost proti nárazu vyhotovení protokolu o zkoušce (!)
59/89
Solar Keymark Certifikační značka kvality obecně pro výrobky pro solární tepelné soustavy dobrovolná certifikace třetí stranou, komplexní shoda s danou EN nejde o CE značku ! (povinná, dokument pro evropský trh, shoda s evropskými směrnicemi a normami), u běžných kolektorů nelze získat zdokumentovaná inspekce výroby (ISO 9000) inspektor vybírá jakýkoli kolektor ze skladu kontinuální shoda (stálý dohled - revize výrobku v časových intervalech) celkem 28 laboratoří zmocněných pro udělování značky informace: kolektor prošel VŠEMI zkouškami podle EN 12975-2
60/89
Výkon solárního kolektoru Q& k = M& ⋅ c ⋅ (t k2 − t k1 )
G
2500
[W]
plochý
Q k [W]
tk2 . M
trubkový s plochým absorbérem
2000
trubkový s válcovým absorbérem
1500
1000
tk1 Q& k = M& ⋅ c ⋅ (t k2 − t k1 )
500 G = 1000 W/m2
účinnost
Q& k η= G ⋅ Ak
0 0
20
40
60
t m - t e [K]
80
100
120
61/89
Účinnost solárního kolektoru (měření) y = a + bx + cx2
regresní parabola proložená naměřenými hodnotami
tm − te tm − te η = η 0 − a1 ⋅ − a2 ⋅ G ⋅ G G
η0
2
„optická“ účinnost [-], správně: účinnost při nulové tepelné ztrátě obecně η0 = F’τα
a1
součinitel tepelné ztráty (lineární) [W/(m2.K)]
a2
2
} součinitel tepelné ztráty (kvadratický) [W/(m .K )] 2
a1+a2(tm - te) = F’U
hodnoty η0, a1, a2 udává výrobce, dodavatel kolektoru, případně zkušebna na základě zkoušky v souladu s EN 12975-2
62/89
„Typické“ konstanty křivky účinnosti η0
a1
a2
-
W/(m2K)
W/(m2K2)
Plochý selektivní
0,78
4,2
0,015
Trubkový vakuový jednostěnný
0,75
1,5
0,008
Trubkový vakuový dvojstěnný (Sydney)
0,65
1,5
0,005
Typ kolektoru
63/89
Plocha solárního kolektoru hrubá plocha: AG plocha apertury: Aa plocha absorbéru: AA
64/89
Plocha solárního kolektoru AA
AA
Aa
AA
Aa
Aa
65/89
Plocha solárního kolektoru
Aa = 0,9 AG
Aa = 0,75 AG
Aa = 0,6 AG
Aa = 0,8 AG
66/89
Účinnost solárního kolektoru 1,0 plochý trubkový s plochým absorbérem
0,8
trubkový s válcovým absorbérem
η [-]
0,6
0,4
0,2
0,0 0,00
0,05
0,10
0,15 2
(t m - t e)/G [m .K/W]
0,20
67/89
Účinnost solárního kolektoru podle EN 12975-2 stanovena pro: G > 700 W/m2 w > 3 m/s
η0
[(tm-te)/G]η=0 η0.05
68/89
Stagnační teplota ( tm − te tm − te ) η = η 0 − a1 ⋅ − a2 ⋅ G G
2
=0
smluvní podmínky: te = 30 °C, G = 1000 W/m2
t stg
tm − te = 30 + 1000 ⋅ G η =0
2 a − a t − t m e 1 1 + 4 ⋅ a 2 ⋅ G ⋅η 0 = − 2 ⋅ a2 ⋅ G G η =0
[(tm-te)/G]η=0
69/89
Typické stagnační teploty
Typ kolektoru
tstg [°C]
Nezasklený kolektor
65
Zasklený neselektivní kolektor
100
Zasklený selektivní kolektor
180
Trubkový jednostěnný vakuový kolektor
300
Trubkový vakuový Sydney kolektor
250
70/89
Křivka účinnosti = f (tm – te) nejčastěji pro 800 W/m2
71/89
Solární kolektory - aplikace
72/89
Výkon solárního kolektoru výkon solárního kolektoru (kolmý dopad, jasná obloha) Q& k = Ak [η 0G − a1 ⋅ (t m − t e ) − a2 ⋅ (t m − t e ) 2 ] instalovaný (nominální, jmenovitý) výkon solárního kolektoru – pro definované podmínky (podle ESTIF): G = 1000 W/m2
te = 20 °C
tm = 50 °C
špičkový výkon kolektoru (bez tepelných ztrát)
Q& k = Akη 0G
G = 1000 W/m2
73/89
Modifikátor úhlu dopadu (Kθ, IAM) křivka účinnosti platí pro kolmý úhel dopadu θ = 0° x
během roku θ ≠ 0°
tm − te (t m − t e ) 2 η (θ ) = η0 (θ ) − a1 ⋅ − a2 ⋅ G G
incidence angle modifier (IAM) – vliv úhlu dopadu slunečního záření na účinnost kolektoru, optická charakteristika kolektoru, činitel úhlové korekce η 0 (θ ) F ' (τα )θ Kθ = = η 0 (0°) F ' (τα ) n
osově symetrické kolektory:
Kθ (θ)
osově nesymetrické kolektory:
Kθ (θ) = KL(θL) ⋅ KT(θT)
74/89
Opticky osově nesymetrický kolektor Kθ = Kθ,L (θL). Kθ,T (θT)
75/89
Modifikátor úhlu dopadu (Kθ, IAM) trubkový kolektor s plochým absorbérem
plochý kolektor 1,6
1,6
1,4
1,4
1,2
1,2
K θ,L = K θ,T
1,0
K θ [-]
K θ [-]
1,0 0,8
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
0,0
0,0
10
20
30
40
50
θ [°]
60
70
80
90
K θ,L
0,8
0,6
0
K θ,T
0
10
20
30
40
50
θ [°]
60
70
80
90
76/89
Modifikátor úhlu dopadu (Kθ, IAM) trubkový kolektor s válcovým absorbérem bez reflektoru
trubkový kolektor s válcovým absorbérem s reflektorem
1,6
1,6
K θ,T
1,4
1,2
1,2
1,0
1,0
K θ [-]
K θ [-]
1,4
K θ,L
0,8
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
0,0
0,0
10
20
30
40
50
θ [°]
60
70
80
90
K θ,L
0,8
0,6
0
K θ,T
0
10
20
30
40
50
θ [°]
60
70
80
90
77/89
Výkon kolektoru v reálných podmínkách ze zkoušky tepelného výkonu podle EN 12975-2: křivka účinnosti tm − te (t m − t e ) 2 η = η 0 − a1 ⋅ − a2 ⋅ G G
ze zkoušky modifikátoru podle EN 12975-2: křivka modifikátoru K θ,b
η 0 (θ ) = η 0 (0°)
K θ,d =
π /2
∫ K (θ ) sin 2θdθ 0
výkon kolektoru pro obecné podmínky (přímé, difúzní záření) Q& k = Aa [η 0 (K θ,bGb,T + K θ,dGd,T ) − a1 (t m − t e ) − a2 (t m − t e ) 2 ]
78/89
Výkon kolektoru v reálných podmínkách 1000 sluneční ozáření
jasný den
plochý atmosférický
800 reálný trubkový vakuový
600
W/m
2
oblačný den
400
200
0 0:00
3:00
6:00
9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00
3:00
6:00
9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00
79/89
Porovnání kolektorů (pro 40 °C) k ploše apertury Aa
k hrubé ploše AG
700 600
t m = 40 °C
400
2
kWh/m .rok
500
300 200 100 0 PK1
PK2
PK3
PK4
TP1
TV1
TV2
TV3
TV4
TR1
TR2
TR3
80/89
Porovnání kolektorů (pro 80 °C) k ploše apertury Aa
k hrubé ploše AG
450 400
t m = 80 °C
350
250
2
kWh/m .rok
300
200 150 100 50 0 PK1
PK2
PK3
PK4
TP1
TV1
TV2
TV3
TV4
TR1
TR2
TR3
81/89
Závěry Pro zhodnocení výkonnosti solárního kolektoru: nestačí pouze informace o typu kolektoru (plochý atmosférický, vakuový s plochým absorbérem, vakuový Sydney s reflektorem, vakuový Sydney bez reflektoru) nestačí pouze křivka účinnosti, je nutné znát i optickou charakteristiku (zvláště u trubkových kolektorů) je nutné znát provozní a klimatické podmínky v jakých bude solární kolektor nasazen je nutné znát konkrétní účel hodnocení – vztažení výkonnosti na plochu apertury nebo na hrubou plochu?
82/89
Porovnání ceny solárních kolektorů 25000
22 000 Kč/m2
Kč/m2 bez DPH
18 200 Kč/m2
20000 2
ploché atmosférické kolektory trubkové vakuové s plochým absorbérem trubkové vakuové Sydney bez reflektoru trubkové vakuové Sydney s reflektorem
15000
10000
14 000 Kč/m
7 000 Kč/m2
5000
0 1
2
3
4 5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
83/89
Solární kolektory - aplikace nízkoteplotní (< 40 °C) ohřev bazénové vody (nezasklené rohože, neselektivní kolektory) sušení plodin (vzduchové) středněteplotní (< 90 °C) příprava teplé vody + přitápění (ploché kolektory s jedním zasklením a selektivním absorbérem, vakuové trubkové kolektory) vysokoteplotní (> 90 °C) technologické teplo (vakuové kolektory, vícenásobná zasklení, koncentrační kolektory)
84/89
Solární kolektory dodané na trh v ČR Dodávka na český trh [m2] 2003
2004
2005
2006
2007
2008
Ploché zasklené
8 429
10 212
13 111
16 879
18 900
26 014
Vakuové trubicové
1 768
1 965
2 353
3 542
6 100
8 511
18
90
60
0
0
10
10 215
12 267
15 524
20 421
25 000
34 535
Koncentrační Celkem 40000
podíl trubicových kolektorů 24 %
30000 20000 10000
nárůst 40 %
plastových absorbérů 65 000 m2 (55 000 m2) 20 000 m2 (DE) 15 000 m2 (AT)
0 2003
2004
2005
2006
2007
2008
zdroj: Bufka, MPO
85/89
Instalované solární kolektory v ČR Celková instalovaná plocha činných systémů [m2]
Ploché zasklené Vakuové trubicové Koncentrační Celkem
2003
2004
2005
2006
2007
2008
52 228
60 657
73 768
90 647
109 547
135 561
6 000
7 768
10 121
13 663
19 763
28 274
727
745
805
805
805
815
58 955
69 170
84 694
105 115
130 115
164 650
200000
podíl trubicových kolektorů 17 %
150000 100000 50000
nárůst 25 % 0 2003
2004
2005
2006
2007
2008
zdroj: Bufka, MPO
86/89
Solární kolektory v Evropě (2008) Instalované m2 kolektorů na 1000 obyvatel
evropský průměr: 54 m2 / 1 000 obyvatel
CZ
zdroj: ESTIF
16 m2 / 1000 obyvatel
87/89
Podíl solárního tepla na OZE v ČR (2008) Produkce tepla z OZE v roce 2008
zdroj: Bufka, MPO
88/89
Očekávaný potenciál solárního tepla v ČR
zdroj: Asociace využití obnovitelných zdrojů energie
PJ
2005 2010 2015 2020
2025
2030
biomasa
44,14 62,36 84,30 93,48
99,80 105,52
geotermální energie
0,55 2,20 5,73 10,51
14,40
17,70
sluneční energie
0,10 0,28 1,03 2,25
3,08
4,12
celkem
44,8 64,8 91,1 106,2
117,3
127,3
podíl 3 % na teple z OZE
89/89
Děkuji za pozornost
