Měření technických parametrů solárního kolektoru a systému

Úvod

Venkovní část měřicího okruhu

Jedním z možných způsobů hodnocení účinnosti solárních kolektorů a systémů je experimentální měření (laboratorní, provozní). Měřením lze získat reálný pohled na funkci daného kolektoru, případně systému, tzn. skutečnou účinnost či tepelný zisk, s určitou přesností závislou na metodice měření, přesnosti použitých čidel a způsobu zpracování naměřených dat. Měření lze provádět jako laboratorní za jasně definovaných a opakovatelných okrajových podmínek nebo jako provozní měření, většinou probíhající na celém systému během určitého období.

Předmět a metody zkoušení solárních kolektorů

Pro komplexní popis chování solárního kolektoru je nutné znát tři parametry:

tepelná účinnost (určuje, jak kolektor pohlcuje záření a ztrácí teplo), časová konstanta (určuje vliv tepelné kapacity kolektoru), modifikátor úhlu dopadu (určuje vliv úhlu dopadu slunečního záření).

Standardní zkoušení solárních kolektorů

Tepelná účinnost kolektoru
Základní metodou zkoušení solárních kolektorů je vystavení provozovaného kolektoru účinkům slunečního záření a měření vstupní teploty T_in a výstupní teploty T_e teplonosné látky spolu s měřením jejího hmotnostního průtoku. Dále jsou měřeny: solární ozáření G v rovině kolektoru, venkovní teplota T_a a rychlost vzduchu u v okolí kolektoru. Základními obecnými podmínkami, které je nutné při testu dodržet, je měření za ustáleného stavu, za jasného počasí (přímé sluneční záření) při přibližně kolmém dopadu paprsků na kolektor (index n) a do kolektoru by měla vstupovat teplonosná látka o konstantní teplotě. Tepelný zisk kolektoru je na základě naměřených hodnot dán vztahem:

Q_u = m c_f (T_e - T_in)                                         (1)

Teoreticky stanovený tepelný zisk kolektoru je:

        (2)

Účinnost je definována jako poměr mezi energií získanou (tepelný zisk) a energií dodanou (dopadající sluneční záření):

     (3)

kde T_m je střední teplota teplonosné látky, A_c je zvolená referenční plocha kolektoru (obvykle plocha apertury či absorbéru) a F' je účinnostní součinitel kolektoru.

Zkoušení solárních kolektorů je možné provádět ve venkovním (nejčastější) a vnitřním prostředí.

Zkušební metody a výpočtové postupy pro určení ustáleného nebo kvazi-ustáleného tepelného výkonu solárních kapalinových tepelných kolektorů poskytuje norma ČSN EN 12975-2:2001. Jsou to metody pro provádění zkoušek ve venkovním prostředí při přirozeném slunečním záření a přirozeném či simulovaném větru a pro provádění zkoušek ve vnitřním prostředí při simulovaném záření a větru. Dále norma poskytuje zkušební metody a výpočtové postupy pro určení jak ustálených, tak celodenních výkonových parametrů pro solární kolektory za proměnlivých podmínek počasí.

Norma není použitelná na kolektory s vestavěným zásobníkem, či na koncentrační kolektory. Pro zkoušení kolektorů zhotovovaných na zakázku, např. vestavby do střechy, je nutné použít zkušební moduly stejné konstrukce.

Venkovní zkouška účinnosti za ustáleného stavu
Norma stanovuje řadu požadavků na montáž a umístění kolektorů ve venkovním prostředí, z nichž zásadními jsou orientace kolektoru na jih, pokud není použito zařízení pro natáčení kolektoru za sluncem, a úhel sklonu 45° ± 5°. Kolektor nesmí být tepelně ovlivňován dalšími zdroji tepla a záření. Schéma zkušebního zařízení s uzavřeným okruhem je uvedeno na obr. 2.

Zkušební okruh (uzavřený) pro testování solárních kolektorů

Základními částmi okruhu jsou solární kolektor (5), ohřívač/chladič pro primární regulaci teploty (6), oběhové čerpadlo (10), regulační ventil průtoku (12), sekundární regulátor teploty (16), příp. generátor větru (17). Norma stanovuje přesnost měření jednotlivých veličin: globální a difúzní ozáření - pyranometry (19, 20), teploty teplonosné látky - čidla teploty (2, 18), průtok teplonosné látky - průtokoměr (15), teplota venkovního vzduchu - čidlo teploty (1), rychlost vzduchu proudícího přes aperturu kolektoru - anemometr (21), velikost plochy kolektoru, absorbéru a apertury, příp. požadavky na kalibraci měřicích přístrojů.

Vnitřní rozvody měřicího okruhu s akumulačními nádobami a detail monitoru měřicí ústředny

Zkušební podmínky, tj. rozmezí hodnot měřených veličin a jejich dovolená odchylka od střední hodnoty během měření, aby byla zajištěna podmínka ustáleného měření, jsou uvedeny v tabulce 1.

Parametr	Rozmezí hodnot	Dovolená odchylka
Globální solární ozáření	> 700 W/m2	± 50 W/m2
Teplota okolního vzduchu	nedefinováno	± 1 K
Hmotnostní průtok teplonosné látky	cca 0.02 kg/s.m2	± 1 %
Teplota teplonosné látky na vstupu do kolektoru	< 80 °C	± 0.1 K

Tab. 1 - Zkušební podmínky pro měřené veličiny

Okamžitá účinnost je potom znázorněna graficky jako funkce redukovaného teplotního rozdílu T^*m = (T_m - T_a)/G, kde střední teplota teplonosné látky T_m = (T_in + T_e)/2. Grafické znázornění účinnosti je provedeno statistickým zpracováním křivky užitím např. metody nejmenších čtverců k získání závislosti účinnosti ve tvaru:

     (4)

Hodnoty účinnosti je možné vztahovat k ploše apertury kolektoru nebo k ploše absorbéru. Mezi takto stanovenými hodnotami nabízí norma přepočtové vztahy.

Zkouška časové konstanty kolektoru
Časová konstanta, vyjadřující tepelnou setrvačnost kolektoru vlivem tepelné kapacity jeho částí, je definována jako čas potřebný ke změně teploty teplonosné látky na výstupu z kolektoru o 63,2 % z celkové hodnoty teplotní změny z původní teploty na novou ustálenou po skokové změně dopadajícího slunečního záření či vstupní teploty. Časová konstanta závisí na provozních podmínkách, především na průtoku teplonosné látky kolektorem. Způsob stanovení časové konstanty t_c je názorně uveden na obr. 1.

Obr. 1 - Stanovení časové konstanty

Nejčastějším způsobem stanovení je provoz kolektoru za ustálených podmínek s konstantní vstupní teplotou teplonosné látky T_in blízkou teplotě okolí T_a. Solární kolektor je náhle zastíněn od dopadajícího slunečního záření a je sledován pokles výstupní teploty jako funkce času nebo naopak stíněný kolektor v ustáleném stavu je náhle vystaven slunečnímu záření a sledován je nárůst výstupní teploty na novou ustálenou hodnotu. Časová konstanta kolektoru t_c je potom čas, při kterém je dosaženo rovnosti:

, při chladnutí kolektoru   (5)

případně

   , při ohřívání kolektoru      (6)

kde T_e(t = 0) je výstupní teplota z kolektoru při přerušení dopadu slunečního záření, T_e(t = t_c) je výstupní teplota v čase t_c a T_e(t = ∞) je nová ustálená výstupní teplota z kolektoru.

Alternativní metodou stanovení časové konstanty je zkoušení kolektoru nevystaveného slunečnímu záření (stíněný, v noci či ve vnitřním prostředí) při zavedení skokové změny vstupní teploty z hodnoty ležící dostatečně nad teplotou okolí na hodnotu teploty okolí.

Metodika zkoušky daná normou spočívá ve skokové změně solárního ozáření kolektoru a to přechodem ze zastíněného kolektoru na ozářený kolektor či opačně. Při zkoušce je solární kolektor zastíněn odrazivým krytem a zkušebním okruhem protéká teplonosná látka o konstantní teplotě blízké teplotě okolí a stejném průtoku, který je použit po zkoušku tepelné účinnosti, dokud nejsou dosaženy podmínky ustáleného stavu. Po odstranění krytu je pokračováno v plynulém měření teplot T_a, T_in a T_m, dokud nejsou znovu dosaženy podmínky ustáleného stavu, tzn. teplota na výstupu z kolektoru kolísá méně než 0,05 K za minutu. Časová konstanta je určena z průběhu nárůstu příp. poklesu výstupní teploty (viz obr. 1).

Zkouška modifikátoru úhlu dopadu
Vliv úhlu dopadu slunečního záření na výkon solárního kolektoru vyjadřuje modifikátor úhlu dopadu K_θ. Závislost součinu propustnosti zasklení kolektoru a pohltivosti absorbéru τα na úhlu dopadu se u různých kolektorů liší. Modifikátor je definován jako poměr:

                                               (7)

kde index n značí kolmý úhel dopadu. Potom pro různé úhly dopadu slunečního záření je využitelný tepelný zisk kolektoru dán vztahem:

    (8)

Experimentální stanovení Kθ se provádí buď ve vnitřním prostředí polohováním kolektoru pod různými úhly v rozmezí 30° až 60°, nebo ve venkovním prostředí prováděním dvojice zkoušek při stejných podmínkách vždy symetricky okolo solárního poledne, při úhlech dopadu slunečního záření od 30° do 60°.

Norma poskytuje dvě metody pro zkoušky solárního kolektoru za účelem stanovení jeho modifikátoru úhlu dopadu.

První metoda je použitelná pro zkoušky v solárním simulátoru nebo ve venkovním prostředí s použitím pohyblivého zkušebního stojanu s možností orientace solárního kolektoru vůči slunci. Kolektor je natáčen podle požadovaného úhlu dopadu. Pro běžné ploché kolektory je postačující jediný úhel dopadu 50°.

Druhá metoda je použitelná pro venkovní zkoušky na nepohyblivém zkušebním stojanu. Hodnoty účinnosti se stanovují symetricky před a po solárním poledni s ohledem na žádané úhly dopadu (především 50°). Průměrný úhel dopadu je pro oba datové body tentýž.

V obou metodách je střední teplota teplonosné látky regulována v nejužším možném rozsahu (alespoň ± 1 K) vzhledem k teplotě okolního vzduchu, neboť potom je tepelná účinnost kolektoru rovna optické účinnosti. Hodnoty účinnosti jsou stanovovány v souladu s výše popsanou metodou zkoušky tepelné účinnosti.

Modifikátor úhlu dopadu je určen ze vztahu:

                                      (9)

kde člen F'(τα)_n je určen ze zkoušky tepelné účinnosti jako průsečík s osou y.

Použitím vztahu (9) je možné z hodnoty K_θ(0°) = 1 a měřením stanovené hodnoty K_θ(50°) určit směrnici b₀ a tudíž celou charakteristiku modifikátoru úhlu dopadu v závislosti na úhlu dopadu.

Ostatní zkoušky solárních kolektorů uváděné normou
Z důležitých zkoušek uváděných normou pro provedení na zkušebním okruhu lze uvést stanovení tlakové ztráty kolektoru, zkoušení nezasklených solárních kolektorů za ustálených podmínek a zkoušení zasklených a nezasklených kolektorů při kvazi-dynamických podmínkách.

Norma dále předepisuje zkoušky spolehlivosti solárních kolektorů, jmenovitě zkoušku na vnitřní přetlak, odolnosti vysokým teplotách, vystavení vlivům prostředí, na vnější a vnitřní tepelný ráz, průniku deště, odolnosti vůči mrazu, mechanického zatížení a odolnosti proti nárazu.

Standardní zkoušení solárních systémů

Pro zkoušení průmyslově vyráběných tepelných solárních soustav byla zavedena evropská norma ČSN EN 12976 (Všeobecné požadavky a Zkušební metody). Z hlediska zkoušení výkonových vlastností soustav se norma zabývá zkouškou tepelného výkonu solárních soustav s dodatkovým zdrojem tepla a bez dodatkového zdroje tepla (předehřev).

Ve výkonové zkoušce se z výsledků zkoušky určují výkonové ukazatele solárních soustav s dodatkovým zdrojem tepla - potřeba čisté dodatkové energie, pomocná energie (elektřina) pro pohon čerpadel a regulace a solárních soustav bez dodatkového zdroje tepla - teplo dodané solárním systémem, solární podíl a pomocná energie (elektřina) pro pohon čerpadel a regulace. Zkoušky využívají zkušebních metod stanovených v normách ISO 9459-2 (solární soustavy bez dodatkového zdroje tepla) a ISO/DIS 9459-5:1997 (solární soustavy s dodatkovým zdrojem tepla). Tyto normy u nás zatím nebyly zavedeny.

Další zkoušky předepsané normou jsou zkoušky odolnosti proti mrazu, ochrany proti přehřátí (poškození soustavy, opaření uživatele), tlakové odolnosti, znečištění vody, ochrany proti blesku, mechanické odolnosti nosného rámu, bezpečnostních zařízení, označování, schopnosti krýt nejvyšší denní zatížení dodatkovým zdrojem tepla (při nulové hladině ozáření), ochrany proti zpětnému průtoku a bezpečnosti elektrických zařízení.

Provozní měření solárních systémů

Provozní měření na solárních systémech jsou velmi významná. Oproti standardním zkušebním metodám za jasně definovaných "ideálních" podmínek nám poskytují informaci o tom, jak se solární systém chová jako celek v reálných podmínkách v průběhu určitého časového období. Ve výsledném tepelném zisku stanoveném z experimentálních dat systému je zahrnuta vlastní interakce mezi zdrojem tepla (solární kolektor), přenosovou soustavou (výměník, potrubí), spotřebičem (akumulační zásobník) a dalšími faktory, např. provozní strategie či znečištění kolektorů. Je zřejmé, že vysoce kvalitní kolektor, který je zapojen ve špatně navrženém systému, např. příliš poddimenzovaný akumulační zásobník, s neefektivními prvky, např. špatná izolace potrubí, nebo je "pouze" špatně udržovaný (zašpiněný), může vykazovat nízký tepelný zisk.

Jak již bylo řečeno, provozní podmínky se významně liší od laboratorních podmínek, za kterých výrobce stanovuje závislost účinnosti kolektoru. Nejedná se pouze o klimatické podmínky či teplotní poměry na kolektoru, ale také např. o teplonosnou látku (nemrznoucí směs bude mít horší parametry z hlediska přenosu tepla než čistá voda) či velikost průtoku teplonosné látky systémem (systémy s vysokým a nízkým průtokem).

Měřicí okruh pro provozní měření je oproti laboratornímu zjednodušen, neboť je dán skutečnými prvky systému. Z klimatických dat je sledována venkovní teplota v okolí kolektorů a globální sluneční ozáření v rovině kolektoru. Čidlo slunečního ozáření (pyranometr) je nutné během měření udržovat v dostatečné čistotě. Pro stanovení tepelného zisku solárního systému (energie dodané za časové období) je vhodné využít měřič tepla - průtokoměr se dvěma čidly teploty přívodního a zpětného potrubí primárního okruhu ve strojovně v místě před připojením akumulačního zásobníku. Pro další analýzy je možné připojit doplňková teplotní čidla na vstup a výstup kolektorového pole (pro hodnocení tepelných ztrát, případně zisků v potrubí), teplotní čidla v různých výškách akumulačního zásobníku (pro hodnocení úrovně stratifikace), měřiče tepla na straně teplé užitkové vody a dodatkového zdroje tepla, případně měření spotřeby elektrické energie pro pohon oběhových čerpadel.

Provozní měření se využívají k různým účelům, nejčastěji se stanovuje tepelný zisk, případně provozní účinnost solárního systému za určité období Δt

             (10)

Provozní měření se využívají pro detailní analýzy velkých solárních systémů (identifikace slabých míst návrhu, zkoumání chování kolektorů za reálných podmínek, apod.), pro vytváření či kalibraci počítačových modelů solárních systémů, nebo pro prosté stanovení přínosu solárního systému uživateli (jednoduché systémy). Požadavky na přístrojové vybavení a dobu trvání měření odpovídají požadovanému typu informace.

Dlouhodobá provozní měření velkých solárních systémů slouží k optimalizaci využití sluneční energie a dlouhodobému monitorování parametrů. Měřicí přístroje (uvedeny výše) jsou trvalou součástí solárního okruhu a slouží ke kontinuálnímu snímání měřených veličin. Vyhodnocují se tepelné zisky za určitá období, provozní účinnost, mezní stavy systému apod.

Pro běžně instalované jednoduché solární systémy se používá minimálního přístrojového vybavení pro stanovení množství tepla dodaného solárním systémem (kalorimetr - průtokoměr, 2 čidla, vyhodnocovací jednotka). Měření se provádí buď na straně spotřeby, pokud je akumulační zásobník bez dodatkového zdroje tepla, nebo na primární straně, pak nejsou uvažovány tepelné ztráty zásobníku. Čidlo ozáření není nutné, pro dlouhodobé bilance lze využít informace o slunečním záření z měření prováděných v dané lokalitě Českým hydrometeorologickým ústavem.

Krátkodobá provozní měření (řádově měsíce) se využívají většinou k vytvoření dynamického matematického modelu solárního systému s reálnými parametry. Pomocí takového modelu je pak možné odhadnout dlouhodobý výkon solárního systému bez nutnosti trvalého měření. Délka měření je dána kritériem, že klíčové proměnné (střední teplota teplonosné látky T_m, teplota okolí T_a, sluneční ozáření G, rychlost vzduchu v okolí kolektoru u, úhel dopadu slunečního záření γ) se během měření musí měnit v celém svém rozsahu (doporučená rozmezí), aby byly při měření dostatečně postihnuty provozní stavy solárního systému. Po splnění kritérií proměnlivosti všech klíčových proměnných se měření ukončí a provede se porovnání s matematickým modelem. Před vlastním měřením je vhodné provést s matematickým modelem systému tzv. "slepou simulaci" s použitím teoretických hodnot parametrů solárního systému. Tím je možné získat odhad rozsahu hodnot jednotlivých proměnných, a tyto rozsahy se použijí jako rozhodující kriteria pro ukončení krátkodobého měření. Kritéria jsou vždy závislá na daném systému a lokalitě. Zobecnění kritérií vede ke snížení přesnosti parametrů nebo k prodloužení trvání měření. Uvedená metoda nevykazuje rozdíly při měření v různých částech roku, přesnost odhadu ročního tepelného zisku je ± 5 % [4].
Při krátkodobých měřeních používaných ke kalibraci matematických modelů se kromě výše uvedených veličin měří i rychlost větru a sluneční difúzní ozáření.

Závěr

Laboratorní a provozní měření poskytují různé typy informací o chování solárních kolektorů a systémů. Laboratorní měření umožňuje určit jmenovitý tepelný zisk kolektoru za jednoznačně definovaných provozních podmínek danými standardními metodami a tedy porovnat různé typy solárních kolektorů a systémů od různých výrobců z hlediska jejich efektivnosti. Provozním měřením lze stanovit reálný tepelný zisk solárního systému za skutečných, značně proměnlivých podmínek v určitém časovém horizontu (měsíce, roky).

LITERATURA
[1] Duffie, J., Beckman, W.: Solar Engineering of Thermal Processes. 2nd edition. John Wiley & Sons, Inc. 1991. ISBN 0-471-51056-4.
[2] ČSN EN 12975 - Tepelné solární soustavy a součásti - Solární kolektory. ČSNI. 2001.
[3] ČSN EN 12976 - Tepelné solární soustavy a součásti - Soustavy průmyslově vyráběné. ČSNI. 2001.
[4] Bosanac, M., Nielsen, J.E.: In situ check of collector array performance. Solar Energy, Vol. 59, Nos. 4-6, pp. 135-142. Elsevier Science Ltd. 1997.