Trendy v solární tepelné technice (III) - Solární kolektory

BAREVNÉ ŘEŠENÍ KOLEKTORŮ

Vzhledem k trendu integrace solárních kolektorů a kolektorových polí do obálky budovy se pozornost zaměřuje také stále více na vzhled kolektorů, především možnosti barevného řešení velkých ploch. Jak vyplynulo z průzkumu [4], 85 % architektů by dalo přednost jinému zabarvení kolektorů než tradičnímu černému nebo tmavě modrému, i kdyby to mělo znamenat snížení účinnosti a ročních solárních zisků. Je několik způsobů jak překonat tuto překážku většího rozšíření solárních kolektorů na budovách.
Jedním z nich je použití dlouhodobě odolných spektrálně selektivních laků [5], kde kombinací nízkoemisivních barevných pigmentů a černých pohltivých pigmentů lze dosáhnout požadovaného vzhledu. Z hlediska selektivity se nejvíce osvědčily barvy modrá, zelená a hnědo-červená (kaštanová), jejich optické vlastnosti jsou uvedeny v tab. 1.

Povrch	Souč. poměrné pohltivosti	Souč. poměrné zářivosti
Selektivní povrch	0,95	0,05
Solární lak (černý)	0,95	0,85
Selektivní lak (barva zelená)	0,85	0,50
Selektivní lak (barva modrá)	0,85	0,50
Selektivní lak (barva kaštanová)	0,75	0,37

Tab. 1 Optické vlastnosti spektrálně selektivních laků

Další cestou je změna vzhledu samotného zasklení. Pokud by však byl zbarvený samotný materiál zasklení, způsobil by vlivem absorpce příliš velké snížení propustnosti v solární části spektra a výrazný pokles množství využitelné sluneční energie absorbérem. Výhodnější je využít "barevného" odrazu vlivem interferenčních tenkých dielektrických vrstev (obdoba interferenčních optických filtrů) [6]. V podstatě jde o aplikaci vícevrstvého povlaku z vnitřní strany zasklení kolektorů, který zajistí vysokou odrazivost ve velmi úzkém spektrálním pásu se středem ve vlnové délce, charakteristické pro danou barvu (odrazí danou barvu), zatímco zbylou část solárního spektra propustí. Povlak je složen z dvojic střídavě s vyšším a nižším indexem lomu, nicméně s co nejmenším rozdílem, aby bylo dosaženo co nejužšího pásu odrazivosti. Optická tloušťka (součin indexu lomu a tloušťky vrstvy) jednotlivých vrstev je udržována na hodnotě odpovídající 1/4 vlnové délky požadované barvy, čímž lze prakticky řídit barevné vlastnosti zasklení.
Aplikací více vrstev nebo materiálu s vyšším indexem lomu je možné dosáhnout vyššího odrazu ve viditelné oblasti a tedy většího zabarvení (sytosti). Nicméně již pro rozumný počet 5 vrstev lze dosáhnout dobrého výsledku (20 % odrazu ve viditelné části a celková propustnost slunečního záření zasklení 91 %). Jelikož vnímání barvy lidským okem (spektrální citlivost oka) je omezené, pouze v úzkém rozsahu viditelného světla, má zvýšení odrazivosti ve viditelné části daleko menší dopad na odrazivost v celém solárním spektru. Pro ideální případ (zeleno-žlutá barva), zvýšení odrazivosti ve viditelné části 6 % odpovídá poklesu propustnosti v solárním spektru pouze o 1 %. Z vizuálního hlediska je možné tímto způsobem zakrýt barevným odrazem černý absorbér, často zvlněný a nerovný, se stopami po svařování.

MIKROSTRUKTUROVANÉ POVRCHY

Vývojem v současné době procházejí postupy pro výrobu povrchů opatřených jemnou strukturou o rozměrech v řádu mikrometrů (mikrostruktury), tedy s rozměrem srovnatelným s vlnovými délkami využívané oblasti slunečního záření. Vhodným návrhem je možné dosáhnout selektivních vlastností takových struktur. Pro solární techniku nacházejí mikrostrukturované povrchy použití především pro zasklení, i když se objevují i aplikace pro absorbéry.

Nápad využít zasklení s nízkoemisivním (low-e) povlakem v oblasti infračerveného záření pro solární kolektor se v minulosti příliš neosvědčil, neboť propustnost slunečního záření takových zasklení v oblasti vyšších, avšak ještě využívaných, vlnových délek byla příliš nízká (viz obr. 2). Nicméně, v kombinaci s mikrostrukturovaným povrchem mohou nízkoemisivní povlaky zasklení kolektorů hrát v budoucnosti významnější úlohu. Princip nového použití nízkoemisivního povlaku na zasklení kolektoru je založen na pravidelném střídání pásu s nízkoemisivním povlakem (zajišťuje nízkou zářivost zasklení) a pásu bez povlaku (zajišťuje propustnost zasklení). Výsledné vlastnosti (propustnost, emisivita) závisí jak na šířce pásů s povlakem, tak na šířce mezery mezi nimi (obojí v řádu μm). Z předběžných počítačových simulací [7] byly získány vcelku uspokojivé výsledky. Zvýšení propustnosti nízkoemisivního zasklení z 62 % na 72 % při současném zvýšení emisivity z 5 % pouze na 6 %.

Obr. 2 Spektrální propustnost běžného a nízkoemisivního zasklení

Dalším využitím technologie povrchových mikrostruktur jsou antireflexní povrchy, u kterých je vyžadován plynulý přechod mezi indexem lomu vzduchu (n = 1) a zasklení (n = 1,52). Materiály s požadovaným velmi nízkým indexem lomu se však v přírodě nevyskytují. Mikrostrukturované povrchy zhotovené interferenční litografií [8] s rozměry reliéfů (viz obr. 3) v řádu vlnových délek umožňují požadovaný gradient indexu lomu a tedy významně zvýšit propustnost základního zasklení (cca o 5 %). Výroba takového povrchu na polymerech (PMMA, PET) je v současné době již zavedený proces, nicméně polymery obecně nepatří mezi materiály odolné pro solární techniku. Ve vývoji je proto proces mikrostrukturování anorganických filmů.

Obr. 3 Povrchové mikrostruktury vzniklé interferenční litografií (vlevo antireflexní povrch)

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.