MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2012
Kamil Havelka
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky
Solární kolektory Bakalářská práce
Vedoucí práce Dr. Ing. Radovan Kukla
Vypracoval: Kamil Havelka
____________________________________________________________ Brno 2012
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma ,,Solární kolektory“ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF MENDELU v Brně.
dne……………………………30.4.2012 podpis bakaláře………………………….
PODĚKOVÁNÍ Chtěl bych poděkovat Dr. Ing. Radovanu Kuklovi za odborné vedení bakalářské práce, poskytování cenných rad a materiálových podkladů k práci a poskytnutí pomoci v nejasných situacích.
ABSTRAKT Hlavním cílem práce je seznámení se solárními kolektory, jejich popisem, vlastnostmi a využitím. Teoretická část práce sestává z několika kapitol, zabývajících se problematikou slunečních kolektorů. Druhá část práce zahrnuje experimentální měření vakuového kolektoru a na základě zjištěných informací je vypracováno zhodnocení, porovnání s jiným systémem.
Klíčová slova: Solární kolektor, měření, vakuový kolektor, absorbér, sluneční energie, měrná tepelná kapacita, účinnost
ABSTRACT The main goal is to become familiar with solar collectors, their description, properties and uses. The theoretical part consists of several chapters dealing with solar collectors. The second part includes the experimental measurements and vacuum collector on the basis of the information collected is designed evaluation, comparison with other systems.
Keywords:solar collector, measurements, vakuum collector, absorber, solar energy, specific heat capacity, efficienci
Obsah 1 ÚVOD .......................................................................................................................... 10 2 CÍL ............................................................................................................................... 11 3 ANALYZUJTE STAV A TECHNOLOGII SOLÁRNÍCH KOLEKTORŮ ............... 11 3.1 Princip plochého kolektoru ................................................................................... 11 3.2 Princip vakuového kolektoru ................................................................................ 12 3.2.1 Jednostěnné trubkové kolektory ..................................................................... 12 3.2.2 Dvoustěnné trubkové kolektory ..................................................................... 13 3.3 Ztráty, charakteristiky a účinnosti slunečního kolektoru ...................................... 14 3.4 Optické ztráty ........................................................................................................ 15 3.5 Sluneční záření, absorpce, emise, transmise ......................................................... 16 3.6 Tepelné ztráty ........................................................................................................ 16 3.7 Energická bilance a účinnost solárního kolektoru ................................................ 18 3.8 Teploty kolektoru .................................................................................................. 21 3.9 Stagnační teplota ................................................................................................... 22 3.10 Rozdělení solárních kolektorů............................................................................. 23 4 Využití solárních kolektorů v Evropě .......................................................................... 24 5 Porovnání dostupných sestav kolektorů ...................................................................... 27 6 Zásady návrhu instalace kolektorů na stavební objekt ................................................ 27 6.1 Součásti solárních soustav..................................................................................... 30 6.2 Teplonosná látka ................................................................................................... 33 6.2.1 Voda ............................................................................................................... 34 6.2.2 Glykolové nemrznoucí směsi ......................................................................... 34 6.3 Řazení a propojení kolektorů ................................................................................ 35 7 MĚŘENÍ NA ZVOLENÉM OBJEKTU...................................................................... 35 8 ZHODNOCENÍ A EKONOMICKÉ ASPEKTY ........................................................ 38 9 DALŠÍ VÝVOJ............................................................................................................ 40 10 ZÁVĚR ...................................................................................................................... 41 LITERATURA ............................................................................................................... 42 SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ ............................................................................ 43
SEZNAM ZKRATEK .................................................................................................... 44 PŘÍLOHY ....................................................................................................................... 46
1 ÚVOD Při jaderných reakcích na Slunci se uvolňuje velké množství tepelné energie. Tato energie je vyzařována do kosmického prostoru, kde celkový tok vyzařované energie je 3,85 . 1026 W. Měrný tok energie (intenzita záření) na povrchu Slunce je 6 . 107 W . m-2. Slunce září jako absolutně černé těleso s povrchovou teplotou okolo 5700 K. Sluneční záření zahrnuje vlnové délky od 10-10 m (rentgenové a ultrafialové záření) až do několika metrů (rádiové záření). Největší část energie připadá na vlnové délky 0,2 až 0,3 µm (světelné a infračervené záření). (Brož, 2001) Sluneční záření není na cestě k Zemi ničím pohlcováno a přichází na hranici atmosféry v původní podobě, s níž opustilo Slunce, ale má zmenšenou intenzitu tím, že výkon se s rostoucí vzdáleností rozptýlí na větší plochu. Z celkového výkonu vyzařovaného Sluncem dopadají na naší planetu jen asi dvě miliardtiny a to asi 7,7 . 1017 kW. Nepatrná část je zachycena ostatními planetami. Zbývající tok záření sluneční energie uniká do mezihvězdného a mezigalaktického prostoru a to je téměř celý tok vyzařované energie. (Brož, 2003) Sluneční záření, které dopadá na Zemi, vstupuje do atmosféry ve výšce 1 000 km od zemského povrchu. Atmosféra se skládá převážně z dusíku a kyslíku. Tyto dva plyny pohlcují ve výškách nad 60 km sluneční ultrafialové a rentgenové záření a ionizují se. Ve výškách 20 až 30 km se nachází ozonosféra (vrstva s velkým obsahem ozónu), kde se pohlcuje zbývající část životu nebezpečného ultrafialového záření. V troposféře, tedy v nejnižších vrstvách atmosféry dochází k pohlcování slunečního záření vodní párou, CO2, prachem a kapkami vody v mracích. (Brož, 2001) Z celkového toku energie se v atmosféře pohltí 19 %, zpět do vesmíru se odrazí od mraků, částeček prachu a zemského povrchu zhruba 34 %. Zemským povrchem je pohlcena zbývající část a to je 47 %. Záření, které je pohlcováno zemským povrchem, se transformuje v teplo, jež je vyzařováno z povrchu Země jako infračervené záření (14 %). Víceatomovými plyny je v atmosféře pohlcováno toto infračervené záření, což vede k trvalému zvýšení teploty zemského povrchu (skleníkový efekt). Velké množství energie, které dopadá na rozsáhlé vodní plochy, se spotřebuje na vypařování vody (23 %). Vodní pára je proudy vzduchu vynášena nahoru, kde je ochlazována v chladnějších vrstvách atmosféry. Kondenzuje a předává své skupenské
10
teplo okolnímu vzduchu a zbytek slunečního záření pohlceného zemským povrchem (10 %) je odveden konvekcí. Vzduch, který je zahřátý od povrchu Země, stoupá vzhůru a na jeho místo proudí těžší chladný vzduch, čímž vznikají větry. Asi jedno procento sluneční energie dopadající na Zemi je využito na biologické reakce probíhající v biosféře. (Brož, 2001) Jako sluneční kolektory nebo termické kolektory jsou označovány takové systémy, které přeměňují sluneční záření na tepelnou energii, tím ji činí využitelnou pro přípravu TUV, ohřev vody v bazénech nebo vytápění. Kolektor sám o sobě popisuje vlastnost sbírání, shromažďování a je použitelný i pro jiné techniky. (Landener, 2003)
2 CÍL Hlavním cílem této práce je seznámení se slunečními kolektory, jejich problematikou, výhodami a nevýhodami. Dále je řešeno porovnání dostupných sestav kolektorů, zhodnocení a vyjádření ekonomických aspektů. Dalším cílem práce je experimentální měření na zvoleném objektu a zhodnocení efektivnosti solárního kolektoru a návrhu vylepšení za účelem vyšší účinnosti.
3 ANALYZUJTE STAV A TECHNOLOGII SOLÁRNÍCH KOLEKTORŮ 3.1 Princip plochého kolektoru Uvnitř kolektoru se nachází černá deska, která se nazývá absorbér (absorbovat = pohlcovat, přijímat záření), viz obr č. 1. Na povrchu absorbéru se solární záření mění na teplo (jak přímé, tak i nepřímé záření). Povrch by měl mít schopnost dopadající záření v co největší míře přeměnit v teplo a přitom z něj minimum vyzářit zpět. V absorbéru, nebo na něm, jsou připevněny trubky, kterými protéká teplonosná kapalina.
Teplonosná
kapalina
je
většinou
voda
s přípravkem
zajišťující
mrazuvzdornost. Aby bylo dobře teplo odváděno (ochlazováno) z přenašeče tepla, musí absorbér i trubky případně kanálky a spoje mezi nimi vykazovat dobrou tepelnou vodivost, proto jsou absorbéry vyráběny z tepelných materiálů jako je hliník nebo měď. 11
Absorbéry jsou s trubkami sletovány, svařeny nebo do sebe zalisovány. Energie má i nevítanou snahu tepelným tokem vyrovnávat teplotní rozdíly, a tak i zářením ohřátý absorbér část slunečního tepla ztrácí. (Landener, 2003)
Obr. 1 Pochody ve slunečním kolektoru. (Landener, 2008)
3.2 Princip vakuového kolektoru 3.2.1 Jednostěnné trubkové kolektory Jsou tvořeny jednostěnnou skleněnou vakuovanou trubkou, v níž se nachází lamela plochého absorbéru přivařená na měděné potrubí (přímo protéká U-smyčka) nebo na výparník tepelné trubice zajišťující odvod tepla z absorbéru. Prostup potrubí skleněnou vakuovou trubkou je řešen speciálním těsněním sklo-kov, které zajišťují dlouhodobé udržení vakua ve skleněné trubce. (Matuška, 2008, online)
12
Obr. 2 Příčný a podélný řez jednostěnnou skleněnou vakuovou trubkou (vlevo tepelnou trubicí a vpravo přímo protékanou U-smyčkou). Matuška, 2008, online) 3.2.2 Dvoustěnné trubkové kolektory Základní součástí je tzv. Sydney trubka. Sydney trubka je válcová, dvojstěnná skleněná trubka. Meziprostor mezi vnější krycí trubkou a vnitřní absorpční trubkou je vakuován. Vnější povrch vnitřní absorpční skleněné trubky je opatřen selektivním absorpčním povrchem, nejčastěji napařeným nitridem hliníku. Vakuum zajišťuje nízké tepelné ztráty z absorbéru do okolí (konvekcí, vedením), selektivní povrch zajišťuje vysokou pohltivost slunečního záření a nízkou emisivitu absorpční plochy a tedy nízké tepelné ztráty zářením z absorbéru. (Matuška, 2008, online) Konstrukčně jsou dvoustěnné trubkové kolektory řešeny s přímo protékaným trubkovým registrem (U-trubka) nebo s tepelnou trubicí. Kritickým místem je přenos tepla z vnitřního povrchu vnitřní absorpční trubky do teplonosné látky, tedy především na povrch přímo protékané U-smyčky z měděného potrubí nebo na povrch výparníku tepelné trubice. K tomu slouží teplosměnná vodivá lamela, která by měla vykazovat co nejlepší kontakt s vnitřním povrchem absorpční trubky a s potrubím pro odvod tepla (U-smyčka, tepelná trubice). (Matuška, 2008, online)
13
Obr. 3 Příčný řez vakuovou Sydney trubkou s tepelnou trubicí (vlevo) a přímo protékanou U-trubkou (vpravo). (Matuška, 2008, online)
Obr. 4 Podélný řez vakuovou Sydney trubkou s tepelnou trubicí (nahoře) a přímo protékanou U-trubkou (dole). (Matuška, 2008, online)
3.3 Ztráty, charakteristiky a účinnosti slunečního kolektoru Každé těleso, které je teplejší než okolí, vyzařuje teplo formou dlouhovlnného infrazáření do okolí. V tomto případě se nám jedná o ztráty zářením a daným tělesem je absorbér. Další ztráty jsou konvekcí, kdy na horkém absorbéru a všech teplých tělesech se ohřívá vzduch, který stoupá a odnáší tím teplo. Vznikat mohou ještě ztráty vedením tepla mezi upevňovacími prvky absorbéru, trubkami a zadní stranou absorbéru je část tepla odváděna a ztrácena. Proto je absorbér plochého kolektoru vestavěn do skříně, ze všech stran je uzavřen (omezení konvekce), z boku a ze zadu dobře tepelně izolován (omezení vedení tepla a vyzařování). Na sluneční straně je kryt transparenčním krytem (nejčastěji sklem), který musí sluneční záření dobře propouštět dovnitř, ale tepelné vyzařování absorbéru co možná nejlépe zadržovat (skleníkový efekt). Potřebujeme minimalizovat ztráty, aby byl absorbér účinnější (výkonnější) a nejvýkonnější kolektory jsou ty, které místo izolačních hmot používají vakuum. (Landener, 2003)
14
3.4 Optické ztráty Optické ztráty vznikají vlivem reflexe na povrchu transparentního krytu a absorpce při průchodu materiálem, kdy část záření nedosáhne na níže ležící absorbér. Ztráty reflexí jsou závislé na úhlu dopadu záření – při úhlu nad 50 ° ztráta zřetelně stoupá. Ztráty transmisí jsou určovány jako transmisní součinitel τ. Například skleněná tabule propustí okolo 90 % záření, odpovídající koeficient je τ = 0,9. Aby byla dosažena největší efektivnost přeměny záření na teplo, tak je požadován vysoký součinitel absorpce absorbéru, resp. jeho povrstvení. Povrstvení absorbéru má součinitel α, to znamená, že se o α % dopadajícího záření mění na teplo. Optický stupeň účinnosti η0 udává, jaký zlomek dopadajícího záření E bude přeměněn na teplo WA. Je to součinitel transmise a reflexe: η0 = τ . α (Šourek, 2007)
(1)
Kde: η0 [ - ] - hodnota optické účinnosti α [-] - pohltivost slunečního záření absorbéru τ [-] - propustnost slunečního záření zasklení kolektoru Toto platí převážně pro kolmé záření, protože ztráty reflexí jsou zanedbány. Dojde-li u absorbéru směrovaného na jih k dopadu záření v úhlu 50 °, pak optické ztráty vznikají v době 1 až 2 hodiny po východu a 1 až 2 hodiny před západem Slunce. Tepelný výkon WA kolektoru se tedy dá spočítat, pokud je známa hodnota dopadajícího záření E: WA = η0 . E = τ . α . E [W.m-2] (Šourek, 2007)
(2)
Kde: E [W.m-2] - dopadající sluneční záření Pro zvýšení propustnosti zasklení solárních kolektorů se můžeme nejčastěji setkat se dvěma úpravami – antireflexní povlaky, prizmatické povrchy. Antireflexní vrstvy snižují povrchové odrazy aplikací vrstev materiálu s velmi nízkým indexem lomu. Jsou to nejčastěji porézní tenkovrstvé povlaky na bázi SiO2 nebo TiO2 s přesně definovaným indexem lomu menším jak 1,3 a tloušťkou okolo 100 nm. Antireflexní povlaky mohou zlepšit při normálovém úhlu dopadu propustnost 15
slunečního záření zasklením o cca 4 až 5 %. Antireflexní povlaky mají taktéž ochranou funkci, kdy je jejich odolnost proti vnějším vlivům a otěru větší z důvodu zachování dlouhodobé stability vlastností zasklení. Prizmatická zasklení lámou sluneční paprsky přicházející pod vysokými úhly do směru přibližně kolmého na absorbér. Mají nejčastěji vlisované pyramidové vzory na vnitřní straně zasklení. Prizmatická zasklení zvyšují propustnost při vysokých úhlech dopadu, posouvají náhlý pokles křivky propustnosti. Při použití prizmatických zasklení není dobře vidět na absorbér pro jeho matný vzhled a někteří výrobci jej využívají, protože nejsou patrné výrobní vady a nedostatky absorbéru. (Šourek, 2007)
3.5 Sluneční záření, absorpce, emise, transmise Slunce vysílá energii ve formě elektromagnetického záření. Toto záření je složeno fyzikálně ze spektra barev a je vnímáno jako bílé světlo. Těžiště leží v oblasti viditelného spektra. Sluneční záření ještě zahrnuje ultrafialovou složku a značný podíl infračerveného záření. Všechna tělesa si vyměňují tepelné záření s okolím. Těžiště spektra 50 °C teplého absorbéru se nachází v infračervené oblasti při 8 až 9 µm. Povrchy absorbující stejnoměrně všechny barvy spektra se zdají být našemu oku černé – žádná barva není reflektována, a tak může ideálně černý absorbér měnit energii světla téměř úplně na teplo. Schopnost absorpce a emise jsou při stejné teplotě stejné (ve stejné vlnové oblasti). Ideálně černá plocha (absorbuje stejnoměrně všechny vlnové délky) vydá mnohem silněji tepelné záření než zrcadlo. Aby byly tepelné ztráty redukovány (tepelné vyzařování absorbéru), tak se používají při konstrukci kolektorů přednostně tzv. ,,selektivní vrstvy“, které v oblasti viditelného světla odpovídají teplotě záření 5000 K, dobře absorbují α = 0,9, ale v oblasti dlouhovlnného záření odpovídající teplotě záření okolo 350 K, vykazují velmi omezenou emisní schopnost - emisivita ε < 20 %. Transparentní kryt by měl nechat sluneční spektrum procházet bez překážek, ale pro zpětné tepelné vyzařování má být co nejvíce nepropustným. Sklo plní tyto funkce dobře. PE-fólie a jiné plasty nejsou odolné vůči UV-záření. (Landener, 2003)
3.6 Tepelné ztráty Tepelný výkon WA vyvinutý na absorbéru tm oproti teplotě okolí te. Zhruba na stejnou teplotu se ohřeje i absorbérem protékající teplonosná kapalina. Vlivem 16
nevyhnutelných tepelných ztrát teplejších těles není celkový vyvinutý tepelný výkon WA , také teplem užitečným. Musí se odečíst tepelné ztráty kolektoru. Velikost tepelných ztrát závisí na konstrukci kolektoru a na rozdílu teplot mezi absorbérm a vnějším vzduchem (tm – te). Čím je větší rozdíl teplot mezi absorbérem a okolím, tím jsou větší tepelné ztráty (WV). WV = k . (tm – te) (Landener, 2003)
(3)
Kde: k [-] - součinitel vlivu konstrukce tm [°C] - teplota absorbéru te [°C] - teplota okolí Součinitelem k je charakterizován vliv konstrukce, analogicky k součiniteli prostupu tepla stavebních dílů (oken, stěn, atd.) a udává kolik tepla ve wattech na m2 kolektorové plochy a teplotního rozdílu K odchází do okolí. U plochého kolektoru bývá zadní strana skříně a její stěny izolovány a transparentní kryt v závislosti na propustnosti světla omezuje ochranu tepla na přední straně. Na ochranu přední strany kolektoru se používá jeden nebo i dva kryty (převážně sklo, nebo kombinace skla s fólií na vnitřní straně), které jsou pokud možno málo propustné pro dlouhovlnné tepelné vyzařování z horkého absorbéru. Absorbér může dosáhnout součinitele k od 2,3 po 4 W . m-2 . K-1 ve spojení se selektivním povrstvení. To znamená, že na každý K, resp. °C, o který je absorbér teplejší než venkovní vzduch, ztrácí 1 m2 kolektoru 3,5 W. Pro příklad máme venkovní teplotu te = 20 °C a teplotu absorbéru tm = 40 °C, součinitel k = 3,5 W, tak WV = 3,5 . (40 – 20) = 70 W . m-2. Tím jsme zjistili, že kolektor o velikosti 1 m2 bude mít tepelnou ztrátu 70 W. (Landener, 2003) K cílenému snížení tepelných ztrát vyzařováním z absorbéru do okolí při zachování jeho vysoké pohltivosti slunečního záření se používají spektrálně selektivní povrchy. Z fyzikálního hlediska má mít absorbér v oblasti slunečního krátkovlnného záření (vlnové délky 0,3 až 0,3 µm) co nejnižší odrazivost (ρSOL = 0), respektive co nejvyšší pohltivost či emisivitu (αIR = εIR = 0). Kvalita absorbéru je závislá na vysokém poměru pohltivosti v oblasti slunečního záření k emisivitě v oblasti infračerveného záření
. K dosažení spektrální selektivity povrchů absorbérů
solárních kolektorů se používá vrstvení kompozitu keramiky a kovu. Povlak je složen 17
z velmi jemných částeček kovu v dielektrickém materiálu (kompozit označovaný cermet: ceramit – metal). Tento kompozit má veliké spektrum nastavení vlastností na míru. Optimalizaci provedeme výběrem složek, tloušťky povlaku, koncentrací, tvarem a orientací částic. Aby částice pohlcovaly a nerozptylovaly sluneční záření, musí být jejich velikost mnohem menší než vlnové délky v oblasti slunečního spektra (< 0,1 až 0,2 µm). Povlaky mohou být vyráběny různými způsoby – chemická konverze, galvanicky, chemické napařování, naprašováním. U většiny komerčních produktů je povrch postaven na bázi cermetových vícevrstvých povlaků s postupně vyšším obsahem částic směrem k podkladu nebo s postupně se zvětšujícím rozměrem částic. Poslední vrstva (pouze dielektrium) slouží jako antireflexní povlak. Sluneční záření je pohlcováno na částicích kovu s vysokou pohltivostí rozptýlených v dielektriku, zatímco tepelné záření je odráženo od podkladu (substrátu) s vysokou odrazivostí (nízkou emisivitou). Tloušťky cermetových selektivních povlaků nepřesahují 300 nm. Jsou ohebné a jejich antireflexní horní vrstva zajišťuje i omyvatelnost. (Šourek, 2007)
3.7 Energická bilance a účinnost solárního kolektoru Obecnou energetikou rovnováhou lze popsat funkci obecného solárního kolektoru. Solární kolektor přijímá sluneční záření, které je částečně přeměněno v teplo a částečně odraženo. Část tepla se odvádí teplonosnou látkou, část odchází ve formě optických a tepelných ztrát do okolí a část tepla je akumulována v těle kolektoru. Energetickou bilanci kolektoru za ustáleného stavu lze popsat rovnicí: Ǫu = Ǫs – Ǫz,,o – Ǫz, t (Šourek, 2007)
(4)
Kde: Ǫu [W] je užitečný tepelný tok odvedený z kolektoru Ǫs [W] představuje dopadající zářivý tok (sluneční ozáření) na kolektor Ǫz, o [W] jsou optické ztráty Ǫz,, t [W] jsou tepelné ztráty Dosazením za jednotlivé členy v rovnici lze získat vztah např. pro plochý kolektor: Ǫu = G . A k . τ . α – Up . Ak . (tabs – te ) – Uz . Ak . (tabs – te ) – Ub . Ab . (tabs – te) (Šourek, 2007)
(5) 18
Kde: G [W.m-2] je hemisférické sluneční ozáření (intenzita dopadajícího záření) tabs [°C] je střední teplota absorbéru te [°C] je teplota okolního vzduchu τ [-] je propustnost slunečního záření zasklení kolektoru α [-] je pohltivost slunečního záření absorbéru Up [W.m-2.K-1] je součinitel prostupu tepla přední stranou kolektoru Uz [W.m-2.K-1] je součinitel prostupu tepla zadní stranou kolektoru Ub [W.m-2.K-1] je součinitel prostupu tepla bočními stranami kolektoru Za vztaženou přední plochu kolektoru Ak [m2] bereme hrubou obrysovou plochu kolektoru (zastavěná plocha na střeše), nebo plochu apertury. Vyjádřením celkového součinitele prostupu tepla kolektoru: U = Up + Uz + Ub .
(Šourek, 2007)
(6)
lze vztah zjednodušit na: Ǫu = G . Ak . τ . α – U . Ak . (tabs – te) (Šourek, 2007)
(7)
Za ustálených podmínek je účinnost solárního kolektoru definována jako poměr užitečného tepelného toku (výkonu) odváděného teplonosnou látkou z kolektoru Ǫu k součinu definované kolektorové plochy Ak [m2] a slunečního ozáření G [W.m-2] dopadajícího na kolektor ηk =
=τ.α–U
(Šourek, 2007)
(8)
Takto je vypočtena účinnost vně absorbéru, tedy účinnost na základě fyzikálních vlastností, kde není zohledněn vliv použitého materiálu, konstrukce a geometrie absorbéru, vliv průtoku teplonosné látky atd. Teplota absorbéru nebývá známa a lze ji obtížně změřit, tudíž vyjádření účinnosti jako funkce střední teploty absorbéru je problematické. (Šourek, 2007)
19
Obr. 5 Křivka účinnosti solárního kolektoru s vyznačením optických a tepelných ztrát (Šourek, 2007) Účinnostního součinitele kolektoru F´se využívá pro analytické vyjádření přenosu tepla z absorbéru do teplonosné látky. Vyjadřuje poměr mezi dvěma tepelnými odpory, ve jmenovateli je obsažen odpor proti přenosu tepla z kapaliny do okolního vzduchu. Pro danou konstrukci absorbéru je účinnostní součinitel konstantní a je závislý na přestupu tepla v trubkách registru (laminární, turbulentní), na tepelných vlastnostech absorbéru (tepelná vodivost absorbéru, trubek registru a spoje trubek s absorbérem) a na geometrii absorbéru (průměr trubek registru, rozteč trubek registru, tloušťka absorbéru). Máme různé konstrukční řešení spoje lamely a trubky, proto se vztah pro stanovení F´liší a se zavedením účinnostního součinitele kolektoru máme možnost psát rovnici účinnosti solárního kolektoru se závislostí na střední teplotě teplonosné látky tm jako: ηk = F´ . [τ . α – U
(Šourek, 2007)
(9)
Z účinnostního součinitele kolektoru vyplývá, že se zmenšováním rozteče trubek registru a tedy zmenšováním šířky lamely absorbéru se zvyšuje účinnostní součinitel kolektoru. Účinnostní součinitel kolektoru se také zvětšuje se zvětšující se tloušťkou absorbéru a zvyšující se tepelnou vodivostí materiálu absorbéru a trubky. Optimální
20
návrh absorbéru a snaha o minimalizaci tepelné kapacity (setrvačnosti) kolektoru závisí na ekonomice návrhu. (Šourek, 2007) Musíme počítat i s tím, že nebude produkované teplo teplonosným médiem odváděno (např. při poruše, montáži). Takže se absorbér ohřeje natolik, že tepelné ztráty kolektoru budou právě tak velké jako solární tepelné zisky. Tento stav se nazývá jako teplota chodu na prázdno, teplota klidového stavu nebo stagnační teplota ts. U malých plochých kolektorů se teplota může pohybovat od 140 °C a může překonávat teploty přes 200 °C. Čím je kvalitnější kolektor (např. menší tepelné ztráty), tím je větší jeho teplota klidového stavu. Proto použité materiály by měly si zachovat stálé vlastnosti i při vystavení vysokým teplotám. (Landener, 2003)
3.8 Teploty kolektoru Teplota
absorbéru
závisí
na
stupni
chlazení
teplonosnou
kapalinou.
Pro kvantitativní výpočet použijeme vzorec: Q = m . c . (t2 – t1) = m . c . ∆t [J] nebo v [kWh] (Matuška, 2009)
(10)
Kde: M [kg] je hmotnost tělesa nebo kapaliny c [kJ.kg-1.K-1] nebo [Wh.kg-1.K-1] je specifická tepelná kapacita ∆t [K] je teplotní rozdíl, o který má být ohřátá Analogicky výpočet tepelného výkonu W nutného pro ohřev proudící kapaliny: W = M . c (t2 – t1) = M . c . ∆t [W] (Matuška, 2009)
(11)
Kde: M [kg.s-1] nebo [kg.h-1] je množství proudící hmoty za jednotku času To znamená množství, které za jednotku času musí protéci absorbérem. V praxi nemá absorbér po celé ploše stejnou teplotu. Teplota na vstupu do kolektoru je chladnější než na výstupu. Pracovní bod kolektoru můžeme posouvat změnou průtoku podle charakteristiky účinnosti. (Matuška, 2009)
21
3.9 Stagnační teplota Stagnační teplota ts je ustálená teplota kolektoru přijímajícího sluneční záření bez odvodu tepla. Stagnační teplotu lze měřit nebo stanovit z křivky účinnosti solárního kolektoru pro dané okrajové podmínky. Za okrajové podmínky se uvažuje teplota okolního vzduchu te = 30 °C a sluneční ozáření G = 1000 W . m-2. Stagnační teplota se měří u kolektoru nezapojeného do soustavy, ale musí být uzavřen z důvodu eliminace volného proudění uvnitř absorbéru (ochlazování kolektoru). Výpočet stagnační teploty vychází ze základní bilance ustálených tepelných toků v kolektoru Ǫu = ǪA – Ǫz = τ . α . G . Ak – U . (tm – te) . Ak = 0 (Matuška, 2008)
(12)
Kde: Ǫu [W] je využitelný tepelný tok odebíraný z kolektoru ǪA [W] je tepelný tok pohlcený absorbérem Ǫz [W] je celková tepelná ztráta kolektoru V případě stagnace je využitelný tepelný tok nulový a bilance přechází do tvaru: τ . α . G = U . (ts – te) (Matuška, 2008)
(13)
z čehož vyplývá: ts = te +
(Matuška, 2008)
(14)
Kde: U [W.m-2.K-1] je celkový součinitel prostupu tepla kolektoru stanovený pro teplotu stagnace Procesy při stagnaci se rozdělují do několika fází. Kapalina se prvně vlivem vyšší teploty roztahuje (fáze 1), při dosažení bodu varu se začínají objevovat první bubliny, tvoří se sytá pára, která vytlačuje kapalinu z kolektorů (fáze 2). Zbylá kapalina v kolektoru se dále odpařuje a kolektor je vyplňován sytou párou teplonosné látky (fáze 3). Tato fáze má vysoký odvod tepla z kolektoru do okolí a vlivem postupného pronikání páry i do rozvodů soustavy. Další přehřívání kolektoru vysušuje kolektor a objem páry v soustavě může dokonce klesnout (částečně se stáhnout do kolektoru), přestože příjem energie slunečního záření trvá (fáze 4). Tento stav může být stabilní 22
po dlouhou dobu. Poklesem dopadajícího slunečního ozáření klesá teplota v kolektoru pod bod varu, teplonosná látka ve formě páry kondenzuje a kapalina opět vyplní kolektor. Největší zátěž soustavy probíhá ve fázi 2 a 3. Objem kapaliny, která na konci fáze 2 zůstane v kolektoru, určuje délku a intenzitu následující fáze 3. Vypařování zbylé kapaliny udržuje kolektor na bodu varu po dlouhou dobu a vznikající velké objemy páry mohou pronikat do soustavy, předávat teplo a zatěžovat i prvky umístěné daleko od kolektorů jako je čerpadlo, výměník, průtokoměr, kalorimetr, atd. Tyto prvky pak mohou být zatíženy teplotami přesahující výrobcem doporučené hodnoty a může dojít k předčasnému zestárnutí, poškození nebo zničení soustavy. (Matuška, 2008)
3.10 Rozdělení solárních kolektorů
Obr. 6 Strukturální dělení solárních kolektorů (Havelka, 2012) Solární kolektory lze rozdělit podle řady kritérií na solární kolektory rozdělené podle teplonosné látky na vzduchové nebo kapalinové, podle konstrukce na ploché, trubicové nebo koncentrační. Další rozdělení je podle tlaku výplně (atmosférický, subatmosférický – vakuový), podle absorbéru (plastový, kovový neselektivní, kovový selektivní, akumulační), podle zasklení (bez zasklení, jednoduché, vícevrstvé). Podle 23
tohoto rozdělení vyplývají konstrukční kombinace, které se běžně používají. Prvním je plochý nezakrytý kolektor s plastovým absorbérem. Jde o plastovou rohož bez zasklení a používá se pro sezónní ohřev nejčastěji bazénové vody o malé teplotní úrovni. Dalším typem je plochý neselektivní kolektor. Jde o deskový kolektor s kovovým absorbérem se spektrálně neselektivním povlakem. Tlak uvnitř kolektoru odpovídá tlaku atmosférickému v okolí kolektoru. Používá se pro sezonní předehřev TUV při malé teplotní úrovni. Plochý selektivní kolektor je deskový kolektor s kovovým absorbérem se spektrálně selektivním povlakem a tlak uvnitř kolektoru odpovídá tlaku atmosférickému v okolí kolektoru. Používá se pro celoroční ohřev TUV a vytápění. Plochý vakuový kolektor je deskový kolektor s kovovým absorbérem se spektrálně selektivním povlakem a tlakem uvnitř kolektoru nižším (o 1 až 10 kPa) než tlak v okolí kolektoru. Používá se pro celoroční ohřev TUV, vytápění a popřípadě pro průmyslové vysokoteplotní aplikace. Trubkový vakuový kolektor je kolektor s plochým nebo válcovým selektivním absorbérem umístěným ve vakuované (tlak je menší jak 1 kPa) skleněné trubce. Používá se pro kombinované soustavy pro vytápění nebo průmyslové vysokoteplotní aplikace. Soustřeďující (koncentrační) kolektor je složen z reflektorů (zrcadel), čoček nebo dalších optických prvků pro usměrnění a soustředění slunečního záření procházejícího aperturou kolektoru na absorbér. Ploché kolektory, které mají vnější zrcadlo nebo kolektory s vakuovými trubkami s reflektorem vně trubic, jsou také považovány za soustřeďující kolektory. Podle procentického zastoupení na trhu se nejvíce vyskytují atmosférické selektivní kolektory (z 85 %) a trubkové vakuové (z 15 % ). (Šourek, 2007)
4 Využití solárních kolektorů v Evropě Sluneční kolektory můžeme použít k vytápění stěn a podlah pomocí solárních vzduchových kolektorů. Při slunečním svitu se na jižních fasádách a střešních plochách získává solární teplo, které se akumuluje ve stěnách, podlahách a stropech. Postupem času se z akumulačních ploch předává energie do místnosti jako příjemné tepelné záření a působí jako otopné plochy. Toto využití sluneční energie zatím nemá až tak velký potenciál vzhledem k jeho ceně.
24
Na podobném principu fungují uzavřené teplovzdušné vytápění se solárními vzduchovými kolektory. Tento systém může zásobovat solárním teplem celou budovu a jeho použití se tedy neomezuje na jižně orientované místnosti. Ohřátý vzduch se vede systémem kanálů v dutých stěnách, podlahách a stropech pomocí ventilátoru. Tento ohřev má využití pro vytápění skladových, továrních, sportovních hal a atd., protože jeho instalace je jednoduchá, haly nemají vysoké nároky na teplotu (přibližně 8 až 18 °C) a to umožňuje vysokou účinnost kolektoru. K nejvíce rozšířeným aplikacím ve využívání sluneční energie patří tepelné solární kolektory k ohřevu TUV a k vytápění. Tyto termické systémy jsou jednoduché, technicky vyzrálé a osvědčené. Existuje velké množství kolektorů používaných k ohřevu TUV a vytápění. Mezi nejrozšířenější patří zasklený plochý kolektor. Je vhodný pro předehřívání a ohřívání TUV a vytápění. Variantou pro menší zařízení je zásobníkový kolektor. Sdružuje zásobník (akumulátor) a kolektor energie do jednoho stavebního prvku a využívá k tomu transparentní tepelnou izolaci jako zakrytí. Dalším velice účinným kolektorem je vakuový trubkový kolektor. Má velikou účinnost, ale jeho pořizovací náklady jsou značně vyšší než u plochých kolektorů. Jeho výhody jsou využity tam, kde jsou vysoké nároky na teplotu (ohřev TUV s velkým stupněm pokrytí). Další výhodou je jeho flexibilita, kdy můžeme absorbér otočit do jakékoli potřebné polohy, a tak jej optimálně zaměřit ke slunci. Dalším rozšířeným kolektorem je nezasklený absorbér, který představuje alternativu nového druhu pro předehřívání TUV v bytových domech. Má ve srovnání s jinými typy nižší zisky v oblastech se slabým větrem a při nízkoteplotních aplikacích je však rozdíl nepatrný. (Haller, 2001)
25
Obr. 7 Předehřívání vzduchu nezaskleným solárním vzduchovým kolektorem. (Haller, 2001)
Obr. 8 Princip solárního vzduchového kolektoru. Teplý vzduch proudí dutými prvky ve stěnách stropu. (Haller, 2001)
26
5 Porovnání dostupných sestav kolektorů Porovnání dostupných sestav kolektorů není jednoduché. V návrhu kombinované soustavy máme dvě kritéria. Prvním kritériem je výše potřeby tepla v průběhu celého roku a druhým kritériem je charakter soustavy. Charakterem soustavy se rozumí k jakému účelu bude soustava sloužit, jestli k přípravě teplé vody, vytápění atd. Vakuové kolektory jsou nejefektivnější, ale zároveň mají větší přebytky tepla v letním období a tím nám klesá celá účinnost soustavy. Největší účinnost bude mít vakuový kolektor s využitím přebytků. Přebytky se využívají pro ohřev bazénů, přípravu teplé vody a k vytápění. Takto vakuový kolektor může dosáhnout až 90% účinnosti, ale ovšem záleží na podmínkách. U vakuového kolektoru může být problém v zimních měsících, kdy trubice budou zasněženy, tak účinnost bude nulová oproti deskovým kolektorům, protože deskový kolektor sálá teplo do okolí a tím sníh okolo kolektoru roztaje. (Havelka, 2012)
6 Zásady návrhu instalace kolektorů na stavební objekt Solární soustavy musíme dimenzovat a dimenzováním rozumíme určení plochy a počtu slunečních kolektorů. Z plochy solárních kolektorů dále navrhujeme další prvky solární soustavy jako je dimenze potrubí, objem expanzní nádoby, typ oběhového čerpadla, atd. Solární soustavy obecně rozdělujeme podle účelu na přípravu TUV, kombinované soustavy pro vytápění a přípravu TUV, ohřev bazénové vody, průmyslové aplikace (technologie, procesní teplo), chlazení a klimatizace, sezónní akumulace tepla. Dále je nutné stanovit návrh nejběžnějších typů využití – příprava TUV, vytápění a ohřev bazénové vody. Stanovujeme potřebu tepla Ǫp za dané období, dávku sluneční energie HT, den na 1 m2 uvažované plochy kolektoru (sklon, orientace) za dané období, průměrná účinnost solárního kolektoru ηk během daného období, měrný tepelný zisk qk z 1 m2 kolektoru pro pokrytí potřeby tepla a následně potřebná plocha solárních kolektorů Ak. Při bilancování potřeby tepla musíme uvažovat o denní potřebě tepla Ǫp [kWh.den-1] a musíme započítat tepelné ztráty solární soustavy (potrubí, zásobník) Ǫz [kWh.den-1]. Míra tepelných ztrát je vyjádřena přirážkou p:
27
Ǫz = p . Ǫp (Šourek, 2007)
(15)
Hodnota přirážky závisí na typu solární soustavy. Pro přípravu TUV nebo vytápění se přirážka pohybuje mezi 5 až 15 %, ale u systému se 100 % pokrytí teplem na vytápění je přirážka větší jak 50 %. Celková denní potřeba tepla: Ǫpc = (1 + p) . Ǫp (Šourek, 2007)
(16)
Pro určení skutečné denní dávky sluneční energie HT, den dopadlé na plochu kolektoru je nutné ještě znát teoretickou denní dávku ozáření plochy HT,den,teor [kWh.m-2.den-1]. Jde o energii přímého slunečního záření dopadlého během dne bez jakékoli oblačnosti na danou plochu. Tuto hodnotu získáme integrací slunečního ozáření (výkonu) G T [W.m-2] dané plochy od východu τ1 do západu τ2 Slunce, tj. za teoretickou dobu slunečního svitu τteor: HT,den,teor =
(Šourek, 2007)
(17)
Hodnoty GT je možno stanovit teoreticky výpočtem z geometrie slunečního záření vycházejícím ze solárních tabulek. Prakticky se hodnoty HT,den,teor odečítají z tabulek určených pro danou oblast a jsou tabelovány pro různé sklony a orientace uvažované plochy a různé typy oblastí s různým stupněm znečištění atmosféry. Střední denní sluneční ozáření
GT,stř [W.m-2] můžeme stanovit z časového úseku mezi
východem a západem Slunce: GT,stř =
(Šourek, 2007)
(18)
Skutečná denní dávka ozářené plochy HT,den [kWh.m-2.den-1] je dána: HT,den = τr . HT, den, teor + (1 – τr) . HT, den, dif (Šourek, 2007)
(19)
Kde: τr [ - ] je poměrná doba slunečního svitu HT, den, dif [kWh.m-2] je denní dávka difuzního slunečního ozáření τr [ - ] je poměrná doba slunečního svitu Poměrná doba slunečního svitu se určuje z dlouhodobých průměrů na základě skutečné doby slunečního svitu (přímé sluneční záření):
28
τr =
(Šourek, 2007)
(20)
Skutečná doba slunečního svitu se odvíjí od charakteristické oblačnosti a ročního období.
Pro bilancování je možné získat hodnoty dávky sluneční energie pro různě
skloněné plochy a orientace v databázi Meteonorm, nebo přímo od ČHMÚ. Denní měrný tepelný zisk kolektorů qk [kWh.m-2.den-1] podle vztahu: qk = ηk . HT, den (Šourek, 2007)
(21)
Kde: ηk [ - ] je průměrné denní účinnosti solárního kolektoru HT, den [kWh.m-2.den-1] je skutečná denní dávka slunečního ozáření Účinnost solárního kolektoru je tedy dána vztahem: ηk = η0 – a1
– a2
(Šourek, 2007)
(22)
Kde: tm [°C] je střední teplota teplonosné látky v kolektoru te [°C] je teplota vzduchu v okolí kolektoru G [W.m-2] je sluneční ozáření přední strany kolektoru η0 [ - ] je hodnota optické účinnosti a1 [W.m-2.K-1] je lineární součinitel tepelné ztráty a2 [W.m-2.K-2] je kvadratický součinitel tepelné ztráty kolektoru Hodnota a2 by měla být součástí protokolu, osvědčení o certifikaci, kterou poskytne výrobce či dodavatel kolektoru. Pro stanovení průměrné denní účinnosti je lepší používat průměrné denní hodnoty veličin v rovnici účinnosti: ηk = η0 – a1
– a2
(Šourek, 2007)
(23)
Kde: GT, stř [W.m-2] je střední denní sluneční ozáření uvažované plochy kolektoru tm [°C] je průměrná teplota teplonosné látky v solární soustavě v průběhu dne v závislosti na aplikaci (tm zvolíme ze zkušeností z jiných podobných sestav a typu soustavy) tes [°C] je průměrná venkovní teplota v době slunečního svitu. 29
Určení plochy slunečního kolektoru Ak [m2] stanovíme pro určité charakteristické období, ve kterém chceme zajistit pokrytí potřeby tepla Ǫpc [kWh] energetickým ziskem z kolektoru: Ǫk = qk . Ak [kWh] (Šourek, 2007)
(24)
podle vztahu: Ak =
=
(Šourek, 2007)
(25)
Z celkové vypočtené plochy slunečního kolektoru vydělíme plochou jednoho kolektoru a tím stanovíme počet solárních kolektorů. Výsledek zaokrouhlujeme na celý číslo. Podle velikosti soustav určujeme, jestli se bude zaokrouhlovat směrem nahoru, nebo směrem dolů. Záleží na využití vzniklých přebytků. (Šourek, 2007)
6.1 Součásti solárních soustav Aby sluneční kolektor fungoval, je zapotřebí i dalších prvků solární soustavy. Většinou součástí solární soustavy jsou kolektory slunečního záření, nosná konstrukce, akumulační nádoba (solární zásobník), výměník tepla, oběhové čerpadlo, potrubí a izolace, elektronický regulátor, expanzní nádoba a další součásti jako např. armatury zabezpečovací, uzavírací a jiné. Tyto součásti mají veliký vliv na efektivní provoz dané solární soustavy. Úkolem kolektoru je zachytit sluneční energii a předat ji s co nejmenšími ztrátami teplonosné látce. Důležitou součástí solární soustavy je akumulační nádoba (solární zásobník). Zásobník sbírá a uchovává přebytky tepla z kolektoru. Existují zásobníky s výměníkem tepla nebo jsou bez zásobníku a výběr jednoho z nich záleží na druhu solárního systému a uplatnění. Zásobníky s výměníkem tepla se používají na dohřev. U zásobníku musíme najít optimální řešení mezi jímavostí tepla (tepelnou kapacitou), tepelnými ztrátami, velikostí a cenou. Velikost se pohybuje pro domácnosti v rozmezí 150 až 1000 litrů objemu. Záleží na spotřebě teplé vody a většinou se počítá se zásobou na 1,5 až dvojnásobek denní potřeby. Při velkoplošných solárních soustav s plochou větší jak 20 m2 je nutné použít pro předání tepla z teplonosné látky primárního okruhu do vody sekundárního okruhu externí výměník tepla. Potřeba závisí na velikosti teplosměnné plochy. U deskových 30
nebo trubkových protiproudových výměníků je účinnost výměny tepla mnohem vyšší než u vestavěných výměníků v akumulačních nádobách. Tato vyšší účinnost u externích výměníku je dána silně turbulentním prouděním jak na primárním okruhu, tak i na sekundárním okruhu. U vestavěných výměníků se podílí na výměně tepla pouze konvekční laminární proudění. Tepelný výkon výměníku tepla stoupá s přibývající plochou výměníku (topnou plochou), s přibývajícím rozdílem teplot mezi chladnou a teplou stranou a s přibývající rychlostí proudění na obou stranách a záleží na druhu proudění, jestli se jedná o laminární nebo turbulentní. Externí výměník je investičně i provozně náročnější, protože je zapotřebí navíc u sekundárního okruhu oběhové čerpadlo. Oběhové čerpadlo umožňuje cirkulaci teplonosné kapaliny mezi kolektory a tepelným výměníkem. Jejich princip spočívá v dopravování teplonosné látky a překonávání
teplotních
ztrát
potrubní
sítě.
Oběhová
čerpadla
rozdělujeme
na hydrostatická a hydrodynamická. Hydrodynamická oběhová čerpadla jsou vhodnější pro solární soustavy a jsou cenově přijatelnější. U oběhového čerpadla by měl pracovní bod solární soustavy ležet v oblasti maximální účinnosti. Optimální pracovní bod zjistíme z křivky tlakových ztrát (součet místních a třecích tlakových ztrát). Musíme si dát pozor na soustavy, kde je venkovním prostorem vedena delší část potrubí, kdy v zimních měsících je viskozita teplonosné látky mnohem vyšší než při provozní teplotě. Kapalina s vyšší viskozitou má vyšší tlakový ztráty v čerpadle. Dalším důležitým prvkem je potrubí a izolace. Potrubí musí minimálně odolávat teplotě okolo 150 °C (v kolektorech se selektivní vrstvou je teplota při běhu na prázdno až 160 °C, u vakuových až 250 °C) a také musí odolávat odpovídajícím tlakům. Z těchto podmínek plyne, že není možné použít běžné plastové trubky (nevyhovuji teplotním rázům a mechanickému namáhání v solární soustavě). Nejvhodnějším materiálem je potrubí z měděných trubek spojených pájením nebo lisováním. Dalším vhodným materiálem můžou být ocelové trubky z měkké oceli. Musíme si dát pozor na ocelové pozinkované trubky, protože spolu s glykolem (teplonosná látka) vytváří bahnité sraženiny. Průměr potrubí volíme tak, aby tlaková ztráta všech trubek nebyla větší jak 100 mbar. Rychlost proudění teplonosné látky by se měla pohybovat v rozmezí 0,5 až 1 m . s-1. Důležitou součástí potrubí je tepelná izolace, aby snižovala tepelné ztráty potrubí. Tepelná izolace by měla být z materiálu, který odolá teplotám nad 150 °C. Měla by to být především izolace na bázi minerální vlny, nikoli na bázi 31
plastů. Ve venkovních prostorech, kde jsou rozvody, je nutné použít nenavlhavé potrubí odolné proti UV záření, nebo provést zakrytování potrubí a tepelné izolace vhodným krytem. V solární soustavě jsou dále elektromagnetické regulátory, které umožňují plně automatický provoz solárních soustav. Elektronické regulátory spínají oběhové čerpadlo, kdy je na kolektorech vyšší teplota než ve spotřebiči (např. v zásobníku TUV). U moderních regulátorů se dá rozdíl teplot, při kterém spínají, nastavit. U více okruhových soustav musí regulátor ovládat jeden nebo dva trojcestné ventily (nebo čerpadla). U solárních soustav, sloužících pro celoroční provoz s uzavřenou soustavou je instalována expanzní nádoba. Expanzní nádoba by měla zachytit celý objem teplonosné kapaliny při odpaření (např. při výpadku oběhového čerpadla za slunečného počasí), aby nedošlo k jejímu úniku ze soustavy při otevření pojistného ventilu. Podle objemu teplonosné kapaliny uvažujeme na velikosti expanzní nádoby, a proto je důležité dimenzovat expanzní nádobu podle jejího objemu a také podle jejího umístění v solární soustavě, aby při odpaření teplonosné látky v kolektorech mohla teplonosná látka natékat do expanzní nádoby z obou stran. Do ostatních součástí solárních soustav řadíme trojcestné ventily, které většinou rozdělují primární okruh na několik větví k jednotlivým spotřebičům. Pojistný ventil se dimenzuje podle maximálního povoleného přetlaku na kolektorech (standardně okolo 600 kPa) nebo na expanzní nádobě. Zpětná klapka se montuje do solárního okruhu v případě, kdy je akumulační nádoba níže než kolektorové pole (to je většina soustav s nuceným oběhem). Zpětná klapka musí zabránit zpětné cirkulaci teplonosné kapaliny, aby nedocházelo k ochlazování ohřáté vody z akumulační nádoby přes kolektory v době, kdy je účinnost kolektoru nulová. Zpětná klapka se dá nahradit tzv. ,,tepelným sifonem“, kdy ve spodní části je chladná voda a v horní teplá. Po praktických zkušenostech je toto řešení nedostatečné. U návrhu nosných konstrukcí musíme brát ohled na teplotní roztažnost použitého materiálu. V zimě za extrémních podmínek může být teplota až -30 °C, v létě se nosná konstrukce může ohřát až na 70 °C. Teplotní rozdíl je 100 K a konstrukce z uhlíkové oceli se na délce 10 m roztáhne o 14 mm. Proto je dobré i tento parametr brát v úvahu. (Matuška, 2008)
32
Obr. 9 Standardní solární soustava se solárními prvky (Lander, 2003)
6.2 Teplonosná látka Teplonosná látka má za úkol přenos tepla z místa zdroje (kolektorů) do místa spotřeby (např. akumulační zásobník). K přenosu tepla se využívá různých teplonosných látek, nejčastěji kapaliny a vzduchu a ojediněle pevných látek (sypký písek). Na teplonosné látky by měly splňovat některá kriteria, pro zajištění dlouhodobě bezproblémového provozu solárních soustav. Teplonosné látky by měly splňovat nízký bod tuhnutí (nejlépe okolo -25 až -30 °C), ochrana proti korozi, kompatibilita s těsnícími materiály, dobré tepelně-fyzikální vlastnosti (tepelná kapacita a viskozita podobná vodě), dlouhodobou stálost vlastností – teplotní odolnost a v oblasti provozních teplot by se neměl projevit var. Mimo tyto požadavky by měla teplonosná látka být ekologicky nenáročná, tedy neměla by být jedovatá, žíravá, dráždivá, hořlavá, toxická a měla by být dobře biologicky rozložitelná. (Matuška, 2007) Ve středoevropském klimatu se používají pro solární soustavy nejčastěji směsi s nemrznoucími přípravky (glykoly) s přísadami látek proti korozi (inhibitory). Přísada 33
proti korozi je velice důležitá, protože samotná voda s glykolem působí mnohem erozivněji než samotná voda. Inhibitory koroze jsou rychle pohlcovány vzdušným kyslíkem, proto nejsou takové směsi vhodné pro otevřené solární systémy. Teplonosné látky s glykolem a inhibitorem mají řadu negativních vlastnosti. Specifická tepelná kapacita glykolu je výrazně nižší než vody. Se stoupajícím obsahem glykolu úměrně klesá tepelná kapacita směsi glykolu s vodou. Proto musí být specifický průtok teplonosné látky solárním okruhem zvýšen oproti vodě. Větší obsah glykolu zvyšuje viskozitu a látka má horší přestup tepla v tepelném výměníku a má větší ztráty třením v potrubí. Povrchové napětí látky klesá, takže směs prolíná do pórů materiálu, které jsou při použití samotné vody těsné. Z těchto důvodů není vhodné ve většině případů přidávat do vodní směsi více mrazuvzdorného přípravku. Je zapotřebí najít kompromis, protože přidáním mrazuvzdorného přípravku se zhorší vlastnosti teplonosné látky. (Landener, 2003) 6.2.1 Voda Voda je netoxická, nehořlavá a zatím relativně levná. Má ideální tepelněfyzikální vlastnosti (vysoká tepelná kapacita, tepelná vodivost a nízká viskozita). Negativum na vodě je nízký bod varu a vysoký bod tuhnutí, proto voda jako teplonosná látka je vhodná pouze v sezónních solárních soustavách s letním provozem. Voda může způsobovat korozi, jestliže se její pH nebude udržovat v rozmezí 7 – 8,5. Dále záleží na dalších faktorech, jako je obsah kyslíku, teplota, koncentrace dalších rozpuštěných látek. Voda s vysokým obsahem minerálů může vylučovat minerální usazeniny při vyšších teplotách v kolektorech a to způsobuje zanášení. (Matuška, 2008) 6.2.2 Glykolové nemrznoucí směsi Mezi nejčastěji používané látky v solárních soustavách patří propylenglykol a etylenglykol. Etylenglykol je vysoce jedovatý a měl by být používán v soustavách, kde je primární okruh oddělen od pitné vody dvěma teplosměnnými plochami. Popylenglykol je netoxický a používá se spolu s destilovanou vodou a s potřebnými inhibitory koroze. (Matuška, 2008)
34
6.3 Řazení a propojení kolektorů Většina solárních soustav je složena z více jak z jednoho kolektoru. Nejdůležitější je sestavení jednotlivých kolektorů z hlediska průtočnosti do jedné velké plochy s větším ziskem tepla. Na účinnosti solární soustavy má rozhodující význam rovnoměrný průtok všemi kolektory a celou plochou jednotlivých absorbérů. Proto musí být geometrie absorbérů přizpůsobena průtoku a hydraulickému řazení. Využívá se sériového, paralelního řazení nebo kombinace sériově paralelní řazení. U sériového řazení jsou kolektory protékány stejnoměrně, ale s počtem za sebou řazených ploch stoupá teplota odváděného teplonosného media a také exponenciálně stoupá průtočný odpor jako součet jednotlivých odporů všech kolektorů. Paralelní řazení se nabízí u malých a středních velikostí solárních soustav. Všechny kolektory jsou napojeny na jedno horní a jedno dolní sběrné potrubí. Rovnoměrný průtok teplonosné látky zajišťuje větší průměr sběrných trubek (nižší hydraulický odpor) a cesty průtoku kolektory musí být stejně dlouhé a přívod a odvod pro proudění musí být napojeny v protilehlých koutech (systém Tichelmann). S větším počtem paralelních rozvětvení přibývá mnohem více rozdílů v průtocích a tento problém nastává u všech absorbérů s paralelně protékanými kanálky. Sériově paralelní řazení sjednocuje u větších soustav přednosti obou základních řazení. Při větším počtu kolektorů může toto řešení najít nejlepší možnost přivést do souladu na jedné straně rovnoměrné průtoky a na druhé straně přijatelný odpor vůči proudění. (Landener, 2003)
7 MĚŘENÍ NA ZVOLENÉM OBJEKTU Údaje poskytla firma VacuSol, spol. s r. o., Dolní Rožínka. Měření bylo prováděno v časovém období 16.4. – 23.4.2012. Měření bylo prováděno na rodinném domě v obci Bukov. Rodinný dům je osazen vakuovými kolektory o absorpční ploše 12 m2. Kolektory umístěny na sedlové střeše pod úhlem 45° a poloha umístění kolektorů jihovýchod. Nainstalovány kolektory typu VS 10 T. Parametry kolektoru: Rozměry (hloubka x délka x výška): 35
120 x 730 x 2150 mm
1,57 m2
Celková plocha
1,1 m2
Apertura
1 m2
Absorpční plocha Hmotnost
34 kg
Obsah náplně
0,2 l
Maximální pracovní přetlak
6 Bar
Připojovací rozměry
Cu 18
Rám kolektoru
nerez samonosný vakuum min. 10 – 3 Pa
Izolace kolektoru Vakuová trubice
ϕ 56 x 1,8 mm, 10 ks
Absorbér
Cu lamely TiNOX
Sluneční absorptivita
95 %
Tepelná emisivita
5%
Optická účinnost
79 %
Lineární součinitel tepelné ztráty kolektoru a1
1,117 W . m-2 . K-1
Kvadratický součinitel tepelné ztráty kolektoru a2
0,004 W . m-2 . K-2
Výkon
0 – 800 W 650 – 900 kWh . m-2 za rok
Energetický zisk
650 – 900 kWh za rok
Zisk kolektoru Celkový počet instalovaných kolektorů
12 ks
Celková absorpční plocha
12 m2
36
Klimatické podmínky při měření: Průměrná venkovní teplota
Celková měřená doba
[°C]
osvitu od - do [hod]
16.4.2012
5,5
8 - 15
17.4.2012
8,0
8 - 15
18.4.2012
10,0
8 - 15
19.4.2012
13,5
8 - 15
20.4.2012
15,5
8 - 15
21.4.2012
12,2
8 - 15
22.4.2012
9,8
8 - 15
Datum
Měření bylo prováděno na potrubí solárního okruhu vedeného do výměníku akumulační nádoby objemu 4000 l. Měřič tepla umístěn ve vratném potrubí (potrubí vedeno do solárních kolektorů). Výsledky měření: Teplota solární
Teplota solární
Průměrný
Solární zisk
kapaliny –
kapaliny –
průtok
[Wh]
přívod do
výstup
[l . hod-1]
výměníku
z výměníku
[°C]
[°C]
16.4.2012
26
23
790
2304
17.4.2012
32
29
820
2362
18.4.2012
42
36
860
5017
19.4.2012
47
41
850
4958
20.4.2012
49
41
853
6634
21.4.2012
45
39
852
4970
22.4.2012
36
31
785
3816
Den
Celkový zisk ze solárních kolektorů za období 16.4 – 22.4.2012 je 30061 Wh. Pro stanovení tepelného zisku byl použit vztah (11). (Havelka 2012)
37
8 ZHODNOCENÍ A EKONOMICKÉ ASPEKTY Informace poskytla firma HJ project, spol. s r.o., Brno. Porovnání investičních a provozních nákladů solárního zařízení (solární kolektory a strojní zařízení solárních kolektorů) a plynového kondenzačního kotle pro přípravu TUV a vytápění: vytápění a příprava teplé vody: počet osob pro spotřebu teplé vody
4 osoby
potřeba tepla pro vytápění
9,9 kW 20300,0 kWh . rok-1
roční potřeba tepla pro vytápění
8200,0 kWh . rok-1
roční potřeba tepla pro přípravu TUV
28500,0 kWh . rok-1
Celková roční potřeba tepla pro vytápění a přípravu TUV
solární panely a plynový kotel
zdroj tepla
2260 m3 . rok-1
roční spotřeba zemního plynu - vytápění
912 m3 . rok-1
roční spotřeba zemního plynu - příprava teplé vody
3172 m3 . rok-1
celkem
12.66 Kč . m-3, tj 1,20522 Kč . kWh-1
cena zemního plynu plynového kotle
při použití solárního ohřevu teplé vody a pro vytápění je úspora spotřeby tepelné energie:
vytápění - roční úspora paliva 25% roční spotřeba paliva - vytápění při úspoře 25%: 0,25 x 20300,0
38
5075 kWh . rok-1
příprava TUV - roční úspora paliva 65% roční spotřeba paliva - příprava TUV při úspoře 65%: 0,65 x 8200
Roční využití solárních zisků pro vytápění a přípravu TUV:
5330 kWh . rok-1
10405 kWh . rok-1
úspora ročních nákladů na vytápění a přípravu TUV při použití solárního zařízení: 12543,3 Kč . rok-1
10405 x 1,20522
celková roční spotřeba tepla pro vytápění a přípravu TUV při využití solárních kolektorů (zdroj tepla): 18095 kWh . rok-1
(20300 – 5075) + (8200 – 5330)
Roční náklady na vytápění a přípravu TUV při použití plynového kotle – bez solárních kolektorů: 34348,77 Kč . rok-1
28500 x 1,20522
Roční náklady na vytápění a přípravu TUV při použití plynového kotle se solárními kolektory: 21808,46 Kč . rok-1
18095 x 1,20522
pořizovací náklady solární zařízení
273178,5 Kč
pořizovací náklady plynový kotel
53550,0 Kč
39
rozdíl pořizovacích nákladů solární zařízení - plynový kotel 219628,5 Kč
273178,5 - 53550,0
prostá návratnost: 219628,5 x (12543,3)-1
17,51 roků
pořizovací náklady solární zařízení – 50% státní dotace
136589,25 Kč
rozdíl pořizovacích nákladů solární zařízení (50% státní dotace) - plynový kotel 83039,25 Kč
136589,25 - 53550,0
prostá návratnost: 83039,25 x (12543,3)-1
6,62 roků
Z uvedené prosté návratnosti z hlediska životnosti solárního zařízení vyplývá, že pořízení solárního zařízení jako zdroje tepla vzhledem k plynovému kotli je neekonomické. V současné době se uvažuje doba životnosti zařízení 20 roků. V případě použití státní dotace je doba návratnosti výrazně kratší oproti neposkytnutí státní dotace. Při době životnosti 20 roků a po uplynutí 6,62 roků dochází k úspoře energie za rok 10405 kWh . rok-1, tj 12543,3 Kč . rok-1. Celková úspora za 13,38 roků činí 139218,9 kWh tj 167829,354 Kč. (Havelka, 2012)
9 DALŠÍ VÝVOJ Dnešní sluneční kolektory jsou vyráběny ve velmi dobré kvalitě, ale přesto nebude technický vývoj v této oblasti dlouho uzavřen. Na předních pozicích se objevují jednodušší, racionálnější a tím i cenově dostupnější výrobní postupy v průmyslovém měřítku. Vysoce automatizované linky se vyplatí od 100 000 m2 prodaných a více
40
za rok. Průmyslová výroba se nachází ve stupni, kdy může tuto hranici překročit. (Landener, 2003) V dnešní době není solární tepelná energie tak využívána z důvodu nízké ceně fosilních paliv. V brzké době se uvažuje k dosažení zlomového bodu, kdy nastane obrat a cena solární tepelné energie bude levnější než získávání tepelné energie z fosilních paliv, důvodem zdražování fosilních paliv, v poslední době hlavně ropy a kvůli snížení emisí skleníkových plynů a omezení změn klimatu. Hlavním cílem je produkce tepla v místě spotřeby, aby nedocházelo k velkým tepelným ztrátám při transportu na velké vzdálenosti. U nových budov bude solární teplo pokryto ze 100 % potřeby na chlazení a vytápění. Největší potenciál bude u stávajících budov, kde solární teplo může být pokryto z více jak 50 %, ovšem záleží na konkrétních podmínkách. Uvažuje se také o větší nasazení solární tepelné energie v průmyslu, kde jsou velké požadavky na procesní teplo a předpokládá se, že solární tepelné soustavy budou zajišťovat procesní teplo až do 250 °C. (Matuška, 2009)
10 ZÁVĚR Téma bakalářské práce zní Solární kolektory. Cílem práce bylo přiblížit problematiku solárních kolektorů, jejich využití, porovnání, zhodnocení a ekonomické aspekty. Převážnou a zároveň hlavní část mojí práce tvoří teorie zaměřená na všeobecný popis solárních kolektorů. Druhou částí práce je experimentální měření vakuového kolektoru a stanovení průměrných solárních zisků za určité časové období. Současně bylo provedeno porovnání využití solárního zařízení pro vytápění a přípravu TUV jako zdroje tepla s plynovým kondenzačním kotlem. Z uvedeného porovnání vyplývá při prosté návratnosti z hlediska životnosti solárního zařízení bez použití dotace obecně, že pořízení solárního zařízení jako zdroje tepla vzhledem k plynovému kotli je neekonomické. V případě použití dotace (minimálně 35 %) je doba návratnosti výrazně kratší oproti neposkytnutí dotace – při poskytnutí dotace 35 % je doba návratnosti 10 roků (bez zisku).
41
LITERATURA BROŽ, Karel. Alternativní zdroje energie. 1. Vydání. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2003. 213 s. BROŽ, Karel. Zařízení pro využití sluneční energie. Brno: Cech topenářů a instalatérů ČR, 2001. 66 s. HALLER, Andreas. Solární energie – využití při obnově budov. 1. Vydání. Praha: Grada publishing, spol. s r. o., 2001. 184 s LADENER, Heinz. Solární zařízení. 1. vydání. Praha: Grada publishing a.s., 2003. 268 s. MATUŠKA, Tomáš. Ekonomika solárních soustav v souvislostech – sborník přednášek. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2009. 62 s. Matuška, Tomáš. Prvky solárních soustav – sborník přednášek. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2008. 71 s. Matuška, Tomáš. [online]. 9.6.2008 [cit. 2012-04-03]. Účinnost vakuových trubkových solárních kolektorů (I). Dostupné z WWW:
. ŠOUREK, Bořivoj. Navrhování a bilancování solárních soustav – sborník přednášek. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2007. 59 s.
42
SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ Obr. 1 Pochody ve slunečním kolektoru (Landener, 2008)……………………………………………………………. 12 strana Obr. 2 Příčný a podélný řez jednostěnnou skleněnou vakuovou trubkou (vlevo tepelnou trubicí a vpravo přímo protékanou U-smyčkou) (Matuška, 2008, online)……………………………………………………… 13 strana Obr. 3 Příčný řez vakuovou Sydney trubkou s tepelnou trubicí (vlevo) a přímo protékanou U-trubkou (vpravo) (Matuška, 2008, online)……………………………………………………… 14 strana Obr. 4 Podélný řez vakuovou Sydney trubkou s tepelnou trubicí (nahoře) a přímo protékanou U-trubkou (dole) (Matuška, 2008, online)……………………………………………………… 14 strana Obr. 5 Křivka účinnosti solárního kolektoru s vyznačením optických a tepelných ztrát (Šourek,2007)…………..……………………………………………………. 20 strana Obr. 6 Strukturální dělení solárních kolektorů (Havelka, 2012)……………………………………………………………….. 23 strana Obr. 7 Předehřívání vzduchu nezaskleným solárním vzduchovým kolektorem (Haller, 2001)………….…………………………………………………….. 26 strana Obr. 8 Princip solárního vzduchového kolektoru. Teplý vzduch proudí dutými prvky ve stěnách stropu. (Haller, 2001)………….…………………………………………………….. 26 strana Obr. 9 Standardní solární soustava se solárními prvky (Landener, 2003)……….…………………………………………………….. 33 strana
43
SEZNAM ZKRATEK α [-] - pohltivost slunečního záření absorbéru ε [-] – omisivní součinitel τ [-] - propustnost slunečního záření zasklení kolektoru τr [ - ] - poměrná doba slunečního svitu τskut [-] - skutečná doba slunečního svitu τteor [-] - teoretická doba slunečního svitu η0 [ - ] - hodnota optické účinnosti ηk [ - ] - průměrné denní účinnosti solárního kolektoru a1 [W.m-2.K-1] - lineární součinitel tepelné ztráty a2 [W.m-2.K-2] - kvadratický součinitel tepelné ztráty kolektoru Ak [m2] - přední kolektorová plocha c [kJ.kg-1.K-1] nebo [Wh.kg-1.K-1] - specifická tepelná kapacita CO2 - oxid uhličitý Cu - měď ČHMÚ - Český hydrometeorologický ústav E [W.m-2] - dopadající sluneční záření F´ - účinnostní součinitel kolektoru G [W.m-2] - sluneční ozáření přední strany kolektoru GT [W.m-2] - sluneční ozáření GT,stř [W.m-2] - střední denní sluneční ozáření HT,den [kWh.m-2.den-1] - skutečná denní dávka sluneční energie HT,den,teor [kWh.m-2.den-1] - teoretická dávka sluneční energie k [-] - součinitel vlivu konstrukce m [kg] - hmotnost tělesa nebo kapaliny M [kg.s-1] nebo [kg.h-1] - množství proudící hmoty za jednotku času Meteonorm - komerční nástroj, který hodnoty dopadající sluneční energie interpoluje pro danou lokalitu z údajů pozemních stanic p [-] - přirážka pro potřebu tepla pH [-] - vodíkový potenciál SiO2 - oxid křemičitý qk [kWh.m-2.den-1] – měrný tepelný zisk kolektorů ǪA [W] - tepelný tok pohlcený absorbérem 44
Ǫp [kWh.den-1] - denní potřeba tepla Ǫpc [kWh.den-1] - celková denní potřeba tepla Ǫu [W] - užitečný tepelný tok odvedený z kolektoru Ǫs [W] - dopadající zářivý tok (sluneční ozáření) na kolektor Ǫz [W] - celková tepelná ztráta kolektoru Ǫz, o [W] - optické ztráty Ǫz,, t [W] - tepelné ztráty tabs [°C] - střední teplota absorbéru te [°C] - teplota okolí tes [°C] - průměrná venkovní teplota v době slunečního svitu tm [°C] - teplota absorbéru ts [°C] - stagnační teplota ∆t [°C] - teplotní rozdíl, o který má být ohřátá TUV - teplá užitková voda TiO2 - oxid titaničitý U [W.m-2.K-1] - celkový součinitel prostupu tepla kolektoru Ub [W.m-2.K-1] - součinitel prostupu tepla bočními stranami kolektoru Up [W.m-2.K-1] - součinitel prostupu tepla přední stranou kolektoru Uz [W.m-2.K-1] - součinitel prostupu tepla zadní stranou kolektoru W [W] - tepelný výkon
45
PŘÍLOHY Příloha č. 1 Průměrné měsíční sumy slunečního svitu vybraných měst (Dostupné na: http://www.tzb-info.cz/tabulky-a-vypocty/99-prumerne-mesicni-dobyslunecniho-svitu-ve-vybranych-lokalitach-cr )
46
Příloha č. 2 Průměrné roční sumy globálního záření v MJ . m-2. (dostupné na: http://www.tzb-info.cz/4998-solarni-sestavy-kit-ivar-solar )
47
