Kvazi-dynamická zkouška tepelného výkonu

Metoda kvazi-dynamické zkoušky [1] využívá pro vyhodnocení tepelného výkonu solárního kolektoru naměřené údaje při nestacionárních (přirozených) venkovních podmínkách [2]. Zkouška nevyžaduje podmínku jasné oblohy v okolí slunečního poledne a využívá mnohem větší část dne pro měření (viz obr. 1) a je proto výhodná především pro zkoušení v oblastech s proměnlivými klimatickými podmínkami. Zahrnuje navíc vliv úhlu dopadu slunečního záření, vliv difúzního záření, vliv proudění okolního vzduchu, vliv teploty oblohy a vliv tepelné kapacity kolektoru, což umožňuje popsat chování solárního kolektoru podrobněji a komplexněji díky mnohem širší oblasti zkušebních podmínek než u zkoušky za ustáleného stavu. Navíc lze z dynamického výpočetního modelu solárního kolektoru určit křivku účinnosti za ustálených podmínek. Výpočetní model kolektoru je popsán vztahem

c₁ součinitel prostupu tepla kolektoru, součinitel prostupu tepla pro (t_m - t_e) = 0, ve W/(m² K);
c₂ teplotní závislost tepelných ztrát, kvadratický součinitel tepelné ztráty, ve W/(m² K²);
c₃ závislost tepelných ztrát na rychlosti proudícího vzduchu, v J/(m K);
c₄ závislost tepelných ztrát na tepelném osálání;
c₅ účinná tepelná kapacita, rovna C/A_k, v J/(m² K);
c₆ závislost účinnosti při nulové tepelné ztrátě na rychlosti větru, konstanta kolektoru, v s/m;
K_θb (θ ) modifikátor úhlu dopadu (IAM) pro přímé sluneční záření;
K_θd modifikátor úhlu dopadu pro difúzní sluneční záření, konstanta kolektoru.

Vzhledem k tomu, že u zasklených solárních kolektorů je zpravidla vliv větru a sálání vůči obloze zanedbatelný, je možné součinitele c₃, c₄ a c₆ nestanovovat [3], na rozdíl od nezasklených kolektorů, kde je nutné použít úplný model.

Obr. 1 - Porovnání časového úseku vhodného pro stacionární a kvazi-dynamickou zkoušku (jasný den)

Obr. 2 - Časový úsek vhodný pouze pro kvazi-dynamickou zkoušku (proměnné sluneční ozáření)

Zkušební zařízení, podmínky instalace zkoušeného solárního kolektoru a přístrojové vybavení pro kvazi-dynamickou zkoušku jsou obdobné jako pro zkoušku v ustáleném stavu, včetně požadované přesnosti přístrojové techniky. Pro komplexní zhodnocení je nutné navíc měřit tepelné ozáření v rovinně kolektoru pyrgeometrem a difúzní sluneční ozáření v rovině kolektoru pyranometrem se stínicím prstencem.

Základním rozdílem oproti zkoušce za ustáleného stavu je měření a sběr dat během celého dne (od rána do odpoledne). Interval snímání hodnot je 1 až 6 sekund se stanovením průměrných hodnot za 5 až 10 minut. Požadavky na zkušební podmínky jsou redukovány na konstantní průtok (identické jako u metody v ustáleném stavu), konstantní teplotu na vstupu do kolektoru ± 1 K během dne (zkušebního období) a požadavek na rychlost okolního vzduchu mezi 1 a 4 m/s (pokud je to nezbytné, jsou použity generátory umělého větru). Pro zkoušku jsou požadovány periody jak jasného dne pro určení modifikátoru pro přímé sluneční záření, tak dne s proměnným slunečním ozářením pro zachycení vlivu difúzního záření a tepelné kapacity kolektoru.

Provádí se 4 až 5 celodenních měření (skutečný počet dní záleží na skutečných podmínkách v místě zkoušky), celkem při 4 teplotách kapaliny na vstupu do kolektoru t_k1 rozložených rovnoměrně v rozsahu provozních teplot kolektoru, podobně jako u stacionární zkoušky. Jedna vstupní teplota je vybrána tak, že střední teplota kapaliny v kolektoru t_m leží v rozsahu ±3 K okolo teploty okolního vzduchu te zhruba při slunečním poledni za jasné oblohy pro přesné určení hodnoty η₀. U nezasklených kolektorů postačují 3 zkušební teploty na vstupu do kolektoru. Změna vstupní teploty se provádí po každém zkušebním dnu.

Zkušební řada pro stanovení η₀ a modifikátoru pro přímé sluneční záření K_θb je měřena za jasné oblohy po dostatečně dlouhou dobu (úhly dopadu od 0° do více než 60°). Další zkušební řada se měří za částečně zatažené oblohy, včetně roztrhané oblačnosti. Norma předepisuje jakým způsobem vyhodnotit použitelnost zkušebních podmínek ke stanovení spolehlivých nezávislých parametrů - kvazi-dynamických součinitelů výkonu kolektoru. Součinitelé kvazi-dynamického modelu solárního kolektoru jsou vyhodnoceny násobnou lineární regresní analýzou (MLR analýza) naměřených hodnot.

Pro získání stacionárního modelu výkonu kolektoru pro účely grafického vyjádření při G = 1000 W/m² z kvazi-dynamického modelu se do rovnice (4.9) dosadí podmínky stacionární zkoušky:

• dynamický člen dt_m/dt = 0;
• úhel dopadu slunečního záření θ = 15° (podmínky okolo slunečního poledne);
• podíl difúzního slunečního záření 15 %, tj. Gd = 150 W/m²;
• rychlost proudění vzduchu w = 3 m/s;
• tepelné osálání (E_L - σ.T_e⁴) = -100 W/m².

Potom ustálený výkon kolektoru je dán

Jako špičkový výkon se pak uvádí

[1] ČSN EN 12975-2 Tepelné solární soustavy a součásti - Solární kolektory - Část 2: Zkušební metody, která detailně popisuje zkušební metody a podmínky, za kterých jsou solární kolektory zkoušeny. ČNI 2006.
[2] Perers, B.: Dynamic method for solar collector array testing and evaluation with standard database and simulation programs, Solar Energy 50, pp. 517-526. Pergamon Press. 1993.
[3] Fischer, S., Müller-Steinhagen, H., Perers, B., Bergquist, P.: Collector test method under quasi-dynamic conditions according to the European standard EN 12975-2.