Solárne kolektory a ich testovanie

POPIS EXPERIMENTÁLNE MERANÉHO SLNEČNÉHO ENERGETICKÉHO SYSTÉMU
Testovacia metóda na overenie účinnosti slnečných kolektorov z experimentálnych meraní. Experimentálne merania slnečných energetických systémov (SES) majú overiť skutočnú prevádzkovú účinnosť zariadení so slnenčnými kolektormi situované v experimentálnych zariadeniach SES na pôde Dánskej technickej univerzity (DTU) v Lyngby. Experimentálne merania SES presolárne kolektory boli v období od augusta 2011 do apríla 2012. Údaje boli zaznamenávané v 30 sekundových intervaloch z ktorých sa aritmetickým priemerom vypočítali intervali minútové.

Solárne (slnečné) kolektory
Solárne kolektory boli merané v testovacom zariadení Dánskej Technickej Univerzity, ktorej zemepisná šírka je -12,5° a zemepisná dĺžka 55,77°. Sklon kolektorov je 40 ° a orientované sú s miernym odklonom od juhu o azimute 8°. Teplonosná látka je použitá 40 % zmes glykolu a vody označená vo výpočtoch (3) a (4) pre teplonosnú kvapalinu „x“. Plocha kolektorov je 12,53 m².
Pre potreby experimentálnych meraní bol zvolený slnečný energetický systém s dvoma typmi plochých slnečných kolektorov:
1. Ploché solárne kolektory typu HT Arcon opatrený teflónovou fóliou medzi krycím sklom kolektora a jeho absorbérom, obr. 1 – kolektor vľavo
2. Ploché solárne kolektory typu HT Arcon bez teflónovej fólie, obr. 1 – kolektor vpravo

Zariadenia slnečného energetického systému v technickej miestnosti
Medzi zariadenia technickej miestnosti experimentálneho SES patria:
1. Kolektorový okruh potrubia s príslušnými armatúrami, ventilmy, čerpadlami a výmenníkmi tepla pre jednotlivé kolektorové okruhy, obr. 2a
2. Tlaková solárna expanzná nádoba, obr. 2b
3. Meranie a regulácia experimentálneho SES, obr. 2c

Merané parametre experimentálneho slnečného energetického systému
Meranými a vyhodnocovanými veličinami na zistenie účinnosti a výkonnosti SES sú podľa rovníc pre výpočet účinnosti [1] merané a vyhodnocované nasledovné parametre uvedené v tabuľke 1 podľa obr. 3. Hmotnostný prietok m bol nastavený na 5 l/min.

Tab. 1 Merané parametre SES pre solárne kolektory Zdroj: Autor

VÝPOČTY
Na hodnotenie výkonu a účinnosti solárnych kolektorov z experimentálnych meraní boli použité nasledovné rovnice (1 až 5) pre vlastnosti teplonosnej látky [1] :

S_p = napäťový signál / 5 (mV) (1)

θ_m = θ_i + 25,9/2 . S_p(K) (2)

ρ = (996,5 + 1,523 . x – 0,00966 . x²) + (kg/m³) (3)

(-1,7 – 1,461 . x + 0,00767 . x²) . 0,01 . θ_m +

(-38,4 + 0,621 . x – 0,00308 . x²) . 0,0001* θ_m²

C_p = (4255,5 – 9,585 . x – 0,09417. x²) + (J/kg.K) (4)

(-168,9 + 8,435 . x -0,0035 . x²) . 0,01 . θ_m +

(146,5 – 0,793 . x – 0,00853 . x²) . 0,0001 . θ_m²

ΔT = Sp . (25,9 – (0,06 . θ_m) + (0,00027 . θ_m²) – (0,000001 . θ_m³)) (K) (5)

Výkon SES (rov. 6) a účinnosť (rov. 7) sa určili podľa:

Q = m . C_p . (θ_o – θ_i)(W) (6)

η = Q / A . G (-) (7)

Údaje sa vyhodnotili s ohľadom na tabuľku 2, podľa ktorej musia spĺňať uvedené kritéria rovnovážneho stavu a teda dovolenú odchýlku od strednej hodnoty počas 15 minút. Merania počas 15 minút pred rovnovážnym stavom skúšobnej periódy sa neberú do úvahy. Uhol dopadu θ pre každú minútu dňa sa vypočítal sériou výpočtov na základe miesta (lokality), pozície a času merania kolektorov.

Tab. 2 Požiadavky na ustálené merané parametre pre skúšanie účinnosti solárnych kolektorov [1]

Vstupné údaje pre grafické vyjadrenie účinnosti solárneho kolektora sa získali regresiou okamžitej účinnosti (7) a hodnôt redukovaného rozdielu teplôt (θ_m – θ_a)/G a (θ_m – θ_a)²/G. Pre grafické vyjadrenie okamžitej účinnosti vztiahnutej na apertúrnu plochu kolektora platí [2]:

η = η_o – a₁ . (θ_m – θ_a )/G – a₂ . (θ_m – θ_a)²/G (-) (8)

kde

a₁– koeficient tepelnej straty kolektora vztiahnutý na jeho apertúrnu plochu (W/(m²·K))

a₂– teplotná závislosť koeficientu tepelnej straty vztiahnutý na apertúrnu plochu (W/(m²·K²))

η₀– faktor optickej účinnosti kolektora vyjadrený nulovým rozdielom medzi θ_m a θ_a (-

VÝSLEDKY
Krivka účinnosti solárneho kolektora č.1 predstavuje kolektor opatrený teflónovou fóliou a kolektor č.2 je bez (graf č.1). Výsledná hodnota účinností pre grafické vyjadrenie krivky účinnosti:

solárny kolektor č. 1: η = 0,811 – 2,2615 . (θ_m – θ_a )/G – 0,0181 . (θ_m – θ_a)²/G
solárny kolektor č. 2 : η = 0,827 – 2,729 . (θ_m – θ_a )/G – 0,0194 . (θ_m – θ_a)²/G

ZÁVER
Pomocou uvedených výpočtov na stanovenie krivky účinnosti slnečných kolektorov sa z výsledného grafu 1 môže usúdiť, že solárne kolektory bez teflónovej fólie majú vyššiu optickú účinnosť (účinnosť pri nulovej tepelnej strate) ako kolektor s teflónovou fóliou, avšak s narastajúcim rozdielom teplôt strednej teploty teplonosnej látky a teplotou okolitého vzduchu sa jeho účinnosť znižuje rýchlejšie ako pri použití teflónovej fólie. Je to spôsobené narastajúcimi tepelnými stratami kolektora, ktoré sú vyššie u kolektora bez teflónovej fólie.

Autor: Ing. Lukáš Skalík (STU – Stavebná fakulta, katedra TZB, Radlinského 11, 813 68 Bratislava)

Príspevok na tému Silárne kolektory vznikol za podpory projektu VEGA 1/1052/11

LITERATÚRA

[1] STN EN 12975-2: Tepelné solárne systémy a komponenty. Solárne kolektory. Časť 2: Skúšobné metódy
[2] EN 15316-4-3: 2007 Vykurovacie systémy v budovách. Metóda výpočtu energetických požiadaviek systému a účinnosti systému. Časť 4-3: Systémy výroby tepla, tepelné solárne systémy

Pozrte si jednotlivé komponenty a ich reálne trhové ceny