Efektivita provozu solárních kolektorů
Energetické systémy budov I
Sluneční energie Doba slunečního svitu a zářivý výkon závisí na: zeměpisné poloze ročním obdobím povětrnostních podmínkách Základní pojmy: sluneční ozáření G [W/m2] (intenzita sl. záření) - zářivý výkon dopadající na jednotku plochy (hustota zářivého toku) sluneční konstanta – střední roční hodnota zářivého toku sluneční energie, která dopadá na jednotku plochy kolmé ke směru šíření záření na vnější povrch zemské atmosféry GSC = 1367 [W/m2] dávka ozáření H [kWh/m2, J/m2] – hustota zářivé energie, hustota zářivého toku dopadající za určitý časový úsek, např. hodinu, den, rok,….
Sluneční energie Průměrná roční bilance z celkového toku energie slunečního záření: odraz zpět do vesmíru – 34% (odraz od mraků, částeček prachu a zemského povrchu) pohlceno atmosférou – 19% pohlceno zemským povrchem – 47% Dopad slunečního záření: na vnější povrch atmosféry – nerozptýlená forma slunečního záření průchod atmosférou – dochází k rozptylu na částicích prachu, krystalcích ledu či kapičkách vody Globální záření: difúzní sluneční záření (rozptýlené + odražené sluneční záření) přímé sluneční záření (závisí na úhlu dopadu paprsků)
Sluneční energie Celkové sluneční ozáření G [W/m2] : G = Gb + Gd kde je: přímé sluneční ozáření [W/m2] Gb Gd difúzní sluneční ozáření [W/m2] sluneční ozáření G (výkon) jasná obloha
800 až 1000 W/m2
lehce zataženo
400 až 700 W/m2
silně zataženo
100 až 300 W/m2
dávka ozáření H (energie) zima 3 kWh/m2.den jaro, podzim 5 kWh/m2.den léto 8 kWh/m2.den
Sluneční energie [MJ/m2]
Obr.5: Roční dávky ozáření v ČR Zdroj:.ČHMÚ
Roční dávka ozáření v ČR: • pro sklon 30 až 45°, jižní orientace: • pro sklon 90°, jižní orientace:
1000 až 1200 kWh/m2 750 až 900 kWh/m2
Sluneční energie
západ
jih
Obr.7: Vliv azimutu a sklonu plochy [1]
východ
Terminologie Absorpční plocha
aktivní plocha, kde dochází k přeměně slunečního záření na teplo
Selektivita
poměr pohltivosti v oblasti slunečního záření a emisivity v oblasti IČ záření
Selektivní povrch absorbéru úprava povrchu absorbéru tak, aby v oblasti slunečního záření měl absorbér co největší pohltivost a v oblasti IČ co nejmenší emisivitu Stagnace
stav, kdy se při dopadu slunečního záření neodvádí z kolektoru teplo
Stagnační teplota
ustálená teplota kolektoru, který přijímá záření bez odvodu tepla při teplotě okolního vzduchu 30°C a slunečním ozáření 1000 W.m-1
Solární soustava a její prvky Legenda prvků SS: PV Č ZK EN R TSV VT
Obr.8: Schéma solární soustavy pro přípravu TV [1]
pojistný ventil oběhové čerpadlo zpětná klapa expanzní nádoba regulátor třícestný směšovací ventil výměník tepla
Princip funkce solárního kolektoru tepelná ztráta zasklením
odvod tepla teplonosnou látkou
odraz na absorbéru odraz na zasklení
dopadající sluneční záření tepelné ztráty zadními a bočními stěnami
Obr.9: Solární kolektor - princip [1]
Solární ploché vakuové kolektory:
plochý vakuový kolektor – využívá snížený tlak v prostoru skříně kolektoru (1 -10 kPa), která neobsahuje izolaci. Krycí sklo nutno podepřít maticově rozloženými opěrnými elementy, aby bylo schopno odolat podtlaku
Obr.11: Konstrukce vakuového plochého kolektoru z 80. let a současný výrobek [1]
Solární trubkové vakuové kolektory s jednostěnnou trubkou:
Obr.12: Jednostěnný trubkový vakuový kolektor s U-registrem [1]
Obr.13: Jednostěnný trubkový vakuový kolektor s tepelnou trubicí [1]
velmi kvalitní přestup tepla z absorbéru do kapaliny
Solární trubkové vakuové kolektory s dvoustěnnou trubkou: trubkový vakuový kolektor s dvoustěnnou trubkou (Sydney trubka) - absorbér není uložen ve vakuu, vnější povrch vnitřní trubky je opatřen selektivní absorpční vrstvou (nutné dokonalé spojení lamely s potrubím i vnitřním povrchem absorpční trubky)
Obr.14: Vakuová Sydney trubka s přímo protékaným U-registrem (příčný a podélný řez) [1]
Obr.15: Vakuová Sydney trubka s tepelnou trubicí (příčný a podélný řez) [1]
Solární trubkové kolektory s reflektorem - koncentrační: koncentrační kolektor – využívá systému zrcadel nebo optické čočky k soustředění slunečního záření do ohniska rozlišujeme dle tvaru ohniska: s lineárním ohniskem s bodovým ohniskem
Obr.16: Použití reflektorů pro zvýšení aktivní plochy trubkového kolektoru [1]
Vodní zásobníky tepla – nejpoužívanější Typy zásobníků: Akumulační nádrže – bez teplosměnné plochy Monovalentní – s 1 teplosměnnou plochou Bivalentní – se 2 teplosměnnými plochami Multivalentní – s více teplosměnnými plochami
Obr.: 10 Typy zásobníku tepla podle teplosměnné plochy [1]
Způsob nabíjení a vybíjení má vliv na teplotní vrstvení – teplotní stratifikaci Způsoby nabíjení zásobníku: s nepřímým nabíjením a přímým vybíjením (nejběžnější řešení) s přímým nabíjením a nepřímým vybíjením s nepřímým nabíjením i vybíjením
Obr.: 11 Zásobník s nepřímým nabíjením a přímým vybíjením
Vodní zásobníky s řízeným teplotním vrstvením – stratifikační zásobníky
Obr.: 15 Zjednodušený princip teplotní stratifikace u solární soustavy [1]
Teplonosná látka
pro přenos tepla mezi kolektory a akumulačním zásobníkem se používá jako teplonosná látka kapalina – nejvhodnější nemrznoucí směs musí splňovat tyto požadavky: nízká teplota tuhnutí, vysoká teplota varu vysoká tepelná kapacita, nízká viskozita nehořlavost neagresivita, netečnost – koroze, těsnění dlouhodobá stálost vlastností ekologické aspekty cena
Umístění pojistného ventilu
Obr.: 18 Schématické umístění pojistného ventilu v pojistném úseku [1]
Expanzní nádoba Expanzní nádoba – eliminuje změny objemu teplonosné kapaliny vlivem tepelné objemové roztažnosti Pro uzavřené systémy SS používáme tlakové expanzní nádoby s membránou
Obr.: 19 Tlaková expanzní nádoba – tvar membrány v různých provozních stavech [1]
vzhledem k akumulační nádobě - při nuceném oběhu AN umístěná níže než solární kolektory, ZK zabraňuje cirkulaci TK – AN - SK
nabíjení AN během dne
vychlazování AN během noci samotížná cirkulace
Obr.: 22 Funkce SS bez zpětné klapky[1]
Solární soustava s jedním spotřebičem • základní vybavení – dvě teplotní čidla, které měří teplotu v kolektoru a v nádrži • čerpadlo běží, pokud je teplota v kolektoru dostatečně vysoká oproti teplotě v nádrži • pozor na umístění čidel
Obr.: 23 Solární soustava s jedním spotřebičem
Solární soustava s jedním spotřebičem + řízení druhého zdroje
• tři teplotní čidla + čidlo v horní části nádrže • dva výstupy pro řízení čerpadel
Obr.: 24 Solární soustava se záložním zdrojem
Solární soustava s dvěma spotřebiči • tři teplotní čidla • řízení čerpadla • řízení třícestného přepouštěcího ventilu
Obr.: 25 Solární soustava se dvěma spotřebiči
Q TV , Q k [kWh]
3500
65 % 60 % 40 %
3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
měsíc Obr.16: Bilance solární přípravy teplé vody [1]
10
11
12
