Zkoušení solárních kolektorů
Zkoušení solárních tepelných kapalinových kolektorů
Využití obnovitelných zdrojů a obzvlášť solární energie zaznamenává poslední dobou stále větší nárůst. Jako jeden z nejefektivnějších způsobů přeměny této energie jsou považována termická solární zařízení. Tato zařízení sice nedokáží vyrobit elektrickou energii jako fotovoltaické články, ale mají několika násobně vyšší účinnost. Solární tepelný kapalinový kolektor je zařízením k přímé přeměně sluneční energie na teplo, záření shromažďuje, pohlcuje a mění je na tepelnou energii, ta je pak odváděna pomocí kapaliny k místu využití nebo uložení. Rostoucí ceny energií spolu s dotační státní politikou vedou k stále většímu zájmu o tyto výrobky.
Z hlediska národní legislativy patří solární kolektory mezi stavební výrobky a musí tedy při uvedení na trh splnit požadavky "zákona č. 22/1997 Sb., o technických požadavcích na výrobky a o změně a doplnění některých zákonů, ve znění pozdějších předpisů, kterými se stanoví technické požadavky na výrobky". Tyto požadavky jsou konkretizovány v Nařízení vlády č. 163/2002 Sb., kterým se stanoví technické požadavky na vybrané stavební výrobky, ve znění nařízení vlády č. 312/2005 Sb. Solární kolektory jsou zařazeny podle přílohy č. 2 v tabulce č. 10 (Technická zařízení budov) jako položka 7 - "Zařízení pro vytápění vnitřních prostor bez vlastního zdroje energie a) v budovách b) pro použití, na která se vztahují požadavky reakce na oheň s předepsanou úrovní".
Vzhledem k výše uvedenému, jsou k dispozici technické návody upřesňující požadavky buď na solární kolektor samotný nebo na tepelnou soustavu kolektor zahrnující. Jedná se o:
- Technický návod pro činnost autorizovaných osob při posuzování shody stavebních výrobků podle Nařízení vlády č. 163/2002 Sb. ve znění NV č. 312/2005 Sb. 10.07.06a (postup posuzování shody podle §7) a
- Technický návod pro činnost autorizovaných osob při posuzování shody stavebních výrobků podle Nařízení vlády č. 163/2002 Sb. ve znění NV č. 312/2005 Sb. 10.07.06b (postup posuzování shody podle §5a, 7 a 8)
Oba technické návody vycházejí z evropských norem:
Oba technické návody vycházejí z evropských norem:
- ČSN EN 12975-1(2006): Tepelné solární soustavy a součásti - Solární kolektory - Část 1: Všeobecné požadavky (Thermal solar systems and components - Solar collectors - Part 1: General requirements)
- ČSN EN 12975-2(2006): Tepelné solární soustavy a součásti - Solární kolektory - Část 2: Zkušební metody (Thermal solar systems and components - Solar collectors - Part 1: General requirements)
- ČSN EN 12976-1(2006): Tepelné solární soustavy a součásti - Soustavy průmyslově vyráběné - Část 1: Všeobecné požadavky (Thermal solar systems and components - Factory made systems - Part 1: General requirements)
- ČSN EN 12976-2(2006): Tepelné solární soustavy a součásti - Soustavy průmyslově vyráběné - Část 2: Zkušební metody (Thermal solar systems and components - Factory made systems - Part 2: Test methods)
Z hlediska státní podpory je pak nutno zmínit program Ministerstva životního prostředí administrovaný Státním fondem životního prostředí ČR zaměřený na úspory energie a obnovitelné zdroje domácností v rodinných a bytových domech. Oblast podpory, označovaná jako "C" (Využití obnovitelných zdrojů energie pro vytápění a přípravu teplé vody) zahrnuje i solární kolektory. Zde je podmínkou pro poskytnutí dotace dosažení minimálního ročního solárního zisku z jedné instalace 1500 kWh. Instalovaná solární soustava musí splnit i podmínku ročního solárního zisku alespoň 350 kWh/m2 absorpční plochy. Program Zelená úsporám podporuje instalaci solárních kolektorů, které slouží buď jen k ohřevu teplé vody, anebo k ohřevu teplé vody a přitápění.
Každý kolektor by měl splnit alespoň tyto nejdůležitější zkoušky dle normy ČSN EN 12975-2(2006):
- Zkouška absorbéru na vnitřní přetlak - kolektor musí vydržet po dobu 15 min 1,5 násobku nejvyššího pracovního tlaku
- Odolnost proti vysokým teplotám - prázdný kolektor bez teplonosné látky musí být vystaven minimálně 1 h po dosažení ustálených podmínek globálnímu solárnímu ozáření > 1000 W/m2, při současném snímání teploty absorbéru. Po zkoušce je kolektor zkontrolován na degradaci, smrštění materiálu a jiné nežádoucí defekty. Tato zkouška by měla už na začátku odhalit případné vady kolektoru.
- Vystavení vnějším vlivům prostředí - prázdný kolektor bez teplonosné látky musí být vystaven 30 slunečných dnů, v nichž je dosaženo nejnižší denní dávky ozáření H > 14 MJ/m2, což odpovídá letnímu slunečnému dnu.
- Vnitřní a vnější tepelný ráz - podstatou těchto zkoušek je ověřit schopnost kolektoru odolávat tepelným rázům. Vnější tepelný ráz simuluje prudké zchlazení rozehřátého kolektoru například vlivem náhlého prudkého deště. Vnitřní tepelný ráz simuluje odolnost náhlému vstupu chladné teplonosné látky do rozehřátého kolektoru z důvodu odstávky. Konkrétní podmínky těchto zkoušek jsou definovány normou.
- Průnik deště - při této zkoušce je kolektor po dobu 4 h definovaně skrápěn vodou, poté je provedena detekce na průnik vody do kolektoru.
- Mechanické zatížení - zkouška kolektoru kladným tlakem simuluje schopnost kolektoru odolat účinkům větru a sněhu, zkouška záporným tlakem ověřuje, jak kolektor (úchyty mezi krytem a skříní kolektoru) odolává účinkům vztlakové síly způsobené větrem. V obou případech je limitní zkušební tlak 1000 Pa, pro každou zkoušku však v jiném směru.
- Tepelný výkon (účinnost) - je klíčovou charakteristikou určující užitnou hodnotu solárního kolektoru. Podívejme se na ni podrobněji.
Stanovení tepelného výkonu (účinnosti) teplovodních kolektorů
Venkovní stanovení účinnosti za ustáleného stavu
- Kolektor musí být namontován do zkušebního rámu.
- Musí být nastaven optimální úhel sklonu kolektoru a dodržena orientace kolektoru (jižní azimut umožňuje omezenější dobu měření, optimální varianta je udržovat automaticky azimut Slunce).
- Musí být minimalizováno difuzní a odražené záření.
- Teplota okolních povrchů sousedících s kolektorem musí být co nejblíže teplotě okolního vzduchu.
- Kolektor musí být montován tak, aby umožňoval okolnímu vzduchu cirkulaci rovnoběžně s aperturou přes zadní stranu a boky kolektoru. Pro dodržení konstantních podmínek se používá generátor větru.
- Rychlost proudění vzduchu okolí by má být (3 ± 1) m.s-1.
- Před samotným měřením účinnosti by měl být kolektor vystaven po dobu 5 h ozáření ne vyššímu než 700 W.m-2.
- V průběhu samotné zkoušky musí být celkové solární ozáření vyšší než je hodnota 700 W.m-2.
- Hmotnostní průtok teplonosného média by měl být udržován na hodnotě 0,02 kg.s-1 na 1 metr čtvereční plochy apertury.
- Měřené parametry a dovolené odchylky v průběhu období měření
- Globální zkušební solární ozáření ± 50 W.m-2
- Teplota okolního vzduchu ± 1 K
- Hmotnostní průtok kapaliny ± 1 %
- Teplota kapaliny na vstupu ± 0,1 K
- Teplota kapaliny na výstupu ± 0,1 K
- Obsah kapaliny v kolektoru ± 10 %
- Rychlost proudění vzduchu ± 0,5 m/s
- Měření času ± 0,2 %
 Obr. 1a. Vzorek v simulátoru shora |
 Obr. 1b. Vzorek v simulátoru |
Stanovení účinnosti za ustáleného stavu se simulátorem slunečního ozáření
Norma ČSN EN 12975-2 umožňuje pro měření tepelného výkonu využít vnější prostředí i solární simulátor. Vnější prostředí má však z praktického hlediska celou řadu nevýhod a splnění všech podmínek může značně limitovat čas potřebný pro měření a také množství měření, které je možno v daném období realizovat (difuzní a odražené sluneční záření, orientace kolektoru vůči pohybujícímu se slunečnímu disku, stínicí objekty v zorném poli, rychlost proudění vzduchu, konstantní podmínky ozáření po celou dobu měření, ...).
Obr. 2. Příklad uzavřeného zkušebního okruhu dle ČSN EN 12975-2 (2006)
- Provádí se za obdobných podmínek jako venkovní zkouška.
- Musí být změřeno simulované solární ozáření, rozložení ozáření po apertuře v síti s maximální roztečí 150 mm.
- Teplota okolního vzduchu v simulátoru by měla být proměřena jako průměr několika čidel, která by měla být stíněna, pro výpočet výkonu kolektoru musí být použita teplota na výstupu z větrného generátoru.
- Teplota vzduchu vystupujícího z větrného generátoru se nesmí lišit o víc než ± 1 K od okolního vzduchu.
Požadavky na simulátor solárního ozáření
- Světelné zdroje musí být schopné vydávat střední solární ozáření po apertuře kolektoru nejméně 700 W/m2
- V čase se nesmí lišit ozáření určitého bodu apertury kolektoru o více jak ± 15 % středního ozáření
- Spektrální rozložení simulovaného záření musí být přibližně rovnocenné solárnímu záření
Obr. 3. Trubicový teplovodní kolektor v simulátoru solárního ozáření
Příklad měření a jejich interpretace
V průběhu měření musí být získány hodnoty minimálně pro 4 vstupní teploty.
Nejnižší vstupní teplota by se měla blížit teplotě okolí a nejvyšší by měla přesáhnout 80 °C. Naměřené a vypočtené hodnoty uvádí tab. 1.
Tab. 1. Tabulka naměřených a vypočtených hodnot
Okamžitý výkon kolektoru je definován vztahem:
- užitečný výkon získaný z kolektoru (W)
- hmotnostní průtok teplonosné látky (kg.s-1)
cf - měrná tepelná kapacita teplonosné látky (kJ.K-1.kg-1)
Δt - teplotní rozdíl mezi vstupem a výstupem kapaliny (K)
Účinnost kolektoru se vyjadřuje buď vztažena na plochu absorbéru nebo apertury kolektoru a je dána vztahem:
η okamžitá účinnost kolektoru (-)
užitečný výkon získaný z kolektoru (W)
G solární ozáření (W.m-2)
S plocha apertury nebo absorbéru kolektoru (m2)
Okamžitá účinnost kolektoru vztažená k ploše apertury a střední teplotě teplonosné látky je na obr. 4.
Obr. 4. Graf - okamžitá účinnost kolektoru vztažena k ploše apertury
a střední teplotě teplonosné látky
Nahrazení funkcí druhého stupně:
y odpovídá okamžité účinnosti kolektoru (vztaženo na plochu apertury) ηa
x odpovídá redukovanému tepelnému rozdílu (tm - ta)/G
a reprezentuje optickou účinnost kolektoru η0a, účinnost při nulových tepelných ztrátách
b je koeficient tepelné ztráty a1a
c je druhý koeficient tepelné ztráty vynásobený globálním solárním ozářením a2a*G
Ve výsledku vypadá rovnice takto:
Toto stejné odvození lze použít na plochu absorbéru nebo i na hrubou obrysovou plochu kolektoru. Stanovené konstanty matematického modelu jsou η0 součinitel optických vlastností a1 a2 součinitelé tepelných ztrát a tyto lze dále dosadit do modelových výpočtů a stanovit konkrétní výkon kolektoru při různých podmínkách.
Graf výkonu kolektorové jednotky přepočítaný na sluneční ozáření 1000, 800 a 500 W/m2 je na obr. 5.
Obr. 5. Graf výkonu kolektorové jednotky přepočítaný na sluneční ozáření 1000, 800 a 500 W/m2
V rámci měření účinnosti solárních kolektorů lze ještě provést další zkoušky, které dále doplní informace o vlastnostech kolektoru, z těch nejdůležitějších je to modifikátor úhlu dopadu (popisuje účinnost kolektoru v závislosti na směru dopadajícího světla), tepelná kapacita a časová konstanta kolektoru, tyto vlastnosti popisují rychlost odezvy výkonu kolektoru na změnu intenzity slunečního záření.
Celé problematice výběru, navrhování a provozu solárních soustav se věnuje komplexní informační projekt Solární kolektory.
From the point of view of national legislation, solar collectors are considered construction products and so, before being put on the market, must meet the requirements of Law no. 22/1997 “on technical requirements for products and of amending and supplementing certain laws, as amended, laying down technical requirements for products”. These requirements are specified in the Decree no. 163/2002, which lays down the technical requirements for specific buildings products, as amended by the Government Regulation no. 312/2005. Solar collectors are listed as Item 7 in Table 10 (technical equipment of buildings), in Annex 2 - “Equipment for heating spaces with no energy source a) in buildings b) for use, which are subject to required reaction to fire with specific levels ”