Trendy v solární tepelné technice (II) - Solární kolektory

ÚVOD

Vývoj v oblasti solárních kolektorů pro běžné aplikace v zásobování budov teplem (příprava TUV, přitápění) se orientuje jednak na technicky pokročilé materiály (mikro, nano-technologie) ve snaze zvýšit solární zisk kolektorů, na levné materiály za účelem snížit cenu kolektorů a čím dál více také hraje roli vzhled kolektorů (architektonické požadavky).

ÚČINNOST SOLÁRNÍHO KOLEKTORU

Možnosti zvýšení účinnosti kolektorů vyplývají z rovnice účinnosti kolektoru vyjádřené pro střední teplotu teplonosné látky T_m (°C)

kde F' (-) je účinnostní součinitel kolektoru, zahrnující vliv geometrie absorbéru, tepelné propustnosti spojení trubka-absorbér a přestup tepla z vnitřního povrchu trubky do teplonosné látky, což bylo podrobně popsáno v článku Účinnost solárního kolektoru. Optické vlastnosti solárního kolektoru jsou charakterizovány propustností sluneční energie zasklení τ (-) a pohltivostí slunečního záření absorbéru α (-). Tepelné ztráty do okolí jsou vyjádřeny celkovým součinitelem prostupu tepla kolektoru U (W/m².K). Ten je dán součinitelem prostupu tepla přední stranou kolektoru (zasklením), zadní stranou a bočními stranami (rámem). Tepelná ztráta přední stranou kolektoru je pro celkové tepelné ztráty běžného solárního kolektoru zcela určující, tepelný odpor tvoří v podstatě pouze vzduchová mezera a tepelné ztráty zářením je možné snížit selektivním povrchem. Na celkové tepelné ztrátě kolektoru se přední strana podílí 70 až 80 %.

Při snaze o zvýšení účinnosti kolektoru jde tedy především o:

• zvýšení propustnosti zasklení kolektoru
• zvýšení pohltivosti absorbéru
• zvýšení tepelného odporu přední stranou kolektoru (zasklení s vysokým tepelným odporem, spektrálně selektivní povrch absorbéru)
• optimalizace konstrukce absorbéru

Z toho vyplývá, že výzkum a vývoj účinných kolektorů se soustředí především na dva základní prvky kolektoru - zasklení a absorbér. Trendy vývoje u obou prvků jdou dvěma směry, jednak k pokročilým materiálům budoucnosti a jednak k levnějším materiálům a způsobům výroby bez výrazného snížení parametrů.

TRANSPARENTNÍ TEPELNÉ IZOLACE

Na zasklení jsou kladeny dva požadavky, které jdou zpravidla proti sobě - vysoká propustnost slunečního záření a nízká tepelná ztráta. Ve většině solárních kolektorů se používá jednoduché zasklení, které se na jedné straně vyznačuje vysokou propustností slunečního záření, nicméně velmi nízkým tepelným odporem. Ve snaze zvýšit tepelný odpor vzduchové mezery mezi absorbérem a zasklením, či zasklení samotného, se využívá uzavření vzduchu do komůrek a vrstev (struktur), čímž se potlačí přenos tepla vlivem jeho proudění. Struktury, které mají vyšší tepelný odpor než jednoduché zasklení a propouštějí sluneční záření, se zpravidla označují jako tzv. transparentní tepelné izolace [1]. Název sice technicky není správný, takto nazývané struktury z velké většiny nejsou transparentní (průhledné), spíše jsou translucentní (průsvitné), a ani nejsou tepelnými izolacemi v pravém slova smyslu, tedy materiály se součinitelem tepelné vodivosti λ < 0,1 W/m.K. Nicméně v oboru solární techniky je to zavedené označení pro pokročilé zasklení a struktury, které nabízejí výrazné snížení tepelných ztrát kolektoru.

Paralelním vrstvením zasklení a vzduchových mezer (dvojitá, trojitá, násobná zasklení) je možné zvyšovat tepelný odpor, nicméně s každým vloženým fázovým rozhraním (vzduch - materiál zasklení) klesá propustnost vlivem optických ztrát odrazem o cca 5 %. Příkladem takových zasklení jsou například komůrkové struktury na bázi polykarbonátů (Lexan, Makrolon) nebo násobná zasklení, kde vrchní vrstvu tvoří skleněný kryt a další vrstvy jsou fólie například na bázi teflonu (lehká konstrukce, teplotní odolnost).

Rozdělením vzduchové mezery vrstvami orientovanými kolmo na absorbér vznikají lamelové nebo voštinové struktury. Jejich výraznou výhodou je vysoká propustnost slunečního záření. Při dopadu paprsku na strukturu pod krycím zasklením nedochází k optickým ztrátám odrazem, paprsek se odráží vždy směrem k absorbéru. Výroba těchto struktur je ekonomicky náročná. Ještě před 10 lety se vyráběly jak plastové (PMMA, PC), tak skleněné varianty voštinových (kapilárních) struktur. V současné době jsou vyráběny již jen plastové (PMMA), které jsou vzhledem k nízké teplotní odolnosti nevhodné pro použití do solárních kolektorů.

Transparentní izolací budoucnosti se bezesporu jeví zasklení na bázi křemičitého aerogelu. Aerogel je kvazihomogenní pórovitá struktura SiO₂, obsahující z 90 až 95 % vzduch. Velikost pórů je od 2 do 50 nm. Aerogel se díky své nanostruktuře vyznačuje velmi nízkým součinitelem tepelné vodivosti materiálu a vysokou propustností slunečního záření (monolitické typy aerogelu mohou být průhledné). Nízký součinitel tepelné vodivosti, pohybující se v rozsahu λ = 0,015 až 0,020 W/m.K, a tedy v hodnotách nižších než u naprosto klidného vzduchu (λ = 0,026 W/m.K), je dán skutečností, že rozměr pórů je menší než střední volná dráha molekul vzduchu. Jemná struktura tak omezuje přenos tepla vzájemnými kolizemi molekul vzduchu. Průhlednost aerogelu je způsobena také rozměrem pórů, které jsou mnohem menší než vlnová délka slunečního záření ve viditelné oblasti, což významně snižuje rozptyl slunečního záření. Propustnost slunečního záření aerogelu se pohybuje v rozsahu τ = 0,85 až 0,95 podle tloušťky vrstvy aerogelu. Aerogel se vyrábí nadkritickým vysoušením gelu (roztok SiO₂ v alkoholu) s přídavkem katalyzátorů za vysokých teplot a tlaků. Vzhledem k velmi vysoké porozitě běžný aerogel výrazně váže vodní páru (hydrofilní) a při styku s vodou se rozpouští zpět do podoby gelu. Jeho aplikace je tedy podmíněna hermeticky uzavřeným zasklením. V současné době probíhá výzkum využití aerogelu především v oblasti zasklení oken, kde konkuruje vakuovým zasklením. Předmětem vývoje jsou také výrobní postupy, které by zlevnily investičně náročnou produkci (snížení tlaků a teplot) a zlepšily fyzikální vlastnosti aerogelu (snížení křehkosti, hydrofobní aerogely, velkoplošné monolitické aerogely, atd.).

Na obr. 1 jsou porovnány křivky účinnosti vakuového solárního kolektoru se selektivním absorbérem s kolektory na bázi transparentních izolací bez selektivního absorbéru (N) a se selektivním absorbérem (S). Je zřejmé, že vícenásobná zasklení vlivem výrazného poklesu optické účinnosti nemohou konkurovat pokročilým transparentním izolacím či vakuovým kolektorům. Kolektory s aerogelem i bez použití selektivního absorbéru mohou nalézt uplatnění především v aplikacích kombinovaných solárních soustav pro vytápění a chlazení s T_m - T_a > 50 °C. V této oblasti se účinností vyrovnají plochému vakuovému selektivnímu kolektoru.

Obr. 1 Standardní křivky účinnosti solárních kolektorů s různým zasklením

SELEKTIVNÍ ABSORBÉRY

Absorbéry pokročilých solárních kolektorů se vyznačují spektrálně selektivními optickými vlastnostmi povrchu. Selektivní povrchy mají velmi nízkou odrazivost (vysokou pohltivost α = α_SOL) slunečního záření v oblasti vlnových délek 0,3 až 3 μm, ve kterých přichází 95 % energie slunečního záření a velmi vysokou odrazivost (nízkou pohltivost α_IR, nízkou zářivost ε =ε_IR = α_IR) v oblasti infračerveného záření 3 až 50 μm.
Kvalitní spektrálně selektivní povrchy (sunselect, TiNOx) mají v současné době parametry, které se zdají být již praktickou limitou v oboru: součinitel pohltivosti kvalitních povrchů absorbérů α = 0,95, součinitel poměrné zářivosti (emisivita) ε = 0,05. Selektivní poměr, měřítko kvality selektivních povrchů, vyjádřený jako α/ε se tedy pohybuje okolo 18. Selektivní povrchy se zpravidla vyrábějí elektro-chemicky v lázni (galvanicky) nebo nanášením vrstvy (vrstev) ve vakuu (naprašování, napařování). Často jsou selektivní vrstvy pro zvýšení pohltivosti ještě opatřeny vrchní antireflexní vrstvou.

Přesto vývoj selektivních povrchů (povlaků) dále pokračuje, především ve snaze zlevnit selektivní absorbéry. Příkladem je vývoj selektivních povrchů vyrobených metodou sol-gel (postupy pro přípravu povrchových vrstev z homogenního roztoku, převodem na sol a následně na gel při zachování homogenity). Jde o absorbéry, které patří do skupiny kompozitů kov-dielektrikum, kde kovové částice (nanočástice) jsou rozptýleny v matrici dielektrika, naneseného na povrchu základního materiálu (lamela absorbéru). Výhodou technologie sol-gel (povlakování základního povrchu kapalným solem - rotačně, poléváním, sprejováním, nebo namáčením a následné tepelné zpracování) je jednoduché řízení procesu, výroba za běžných tlakových podmínek (nevyžaduje vakuum), použité chemické látky jsou přijatelné z hlediska dopadu na životní prostředí a jejich spotřeba je velmi malá. Příkladem za všechny je selektivní povrch, vyvinutý touto metodou [2], který má tři vrstvy nanesené na základním povrchu - leštěném hliníku. Dvě z nich tvoří dielektrikum Al₂O₃ s různým obsahem částic Ni (ve spodní vrstvě u základního povrchu je větší obsah částic než v prostřední), třetí horní vrstvu tvoří antireflexní vrstva SiO₂. Tloušťky vrstev jsou řádově desítky nm. Optické vlastnosti takového povrchu jsou: součinitel pohltivosti v oblasti slunečního záření α = 0,97 a součinitel poměrné zářivosti ε = 0,06, selektivní poměr je tedy přibližně 16. Nicméně takový povrch, vzhledem k jednoduchosti a nenáročnosti výroby, může znamenat výrazné snížení ceny selektivních absorbérů a kolektorů.

Dalším potenciálně levným selektivním povrchem, který se objevil v poslední době, je vrstva boridu hliníku AlB_2, elektro-chemicky nanesená na leštěný hliníkový substrát za nízkých teplot (okolo 100 °C) a atmosférického tlaku [3]. Součinitel pohltivosti povrchu α = 0,99 a součinitel poměrné zářivosti ε = 0,05, což představuje vynikající selektivní poměr téměř 20. Výrobní metoda je přitom jednoduchá a ekonomicky atraktivní, jelikož využívá levných chemických látek.

LITERATURA

[1] Matuška, T.: Transparentní tepelné izolace a jejich využití v solární technice. Disertační práce. ČVUT 2003. Praha.
[2] Bostrom, T. a kol.: Experimental and theoretical optimization of three layer solution chemically derived spectrally selective absorber, Proceedings of the ISES Solar World Congress 2005, Orlando, Florida, USA. ISES/ASES 2005. ISBN 0-89553-177-1.
[3] Bhowmik, N., C. a kol.: AlB2 - a new selective coating. Proceedings of the ISES Solar World Congress 2005, Orlando, Florida, USA. ISES/ASES 2005. ISBN 0-89553-177-1.
[4] Weiss, W., Stadler, I.: Facade-integration - a new and promising opportunity for thermal solar collectors. Proceedings of the Industry Workshop of the IEA Solar Heating and Cooling Programme, Task 26, Delft, Netherlands, 2001.
[5] Orel, B. a kol.: Thickness insensitive spectrally selective (TISS) paint coatings for glazed and unglazed solar building facades. Proceedings of the ISES Solar World Congress 2003, Göteborg, Sweden. ISBN 91-631-4740-8.
[6] Schüler, A. a kol.: Potential of quarterwave interference stacks for colored thermal solar collectors. Solar Energy, vol. 79, pp. 122-130, 2005. ISSN 0038-092X.
[7] Meier, M. a kol.: Advanced solar glazings using micro-structured low-e coatings. Proceedings of the ISES EuroSun 2004, Freiburg, Germany. ISES 2004. ISBN 3-9809656-4-3.
[8] Gombert, A. a kol.: Micro-structured surfaces for solar applications. Proceedings of the ISES EuroSun 2004, Freiburg, Germany. ISES 2004. ISBN 3-9809656-4-3.