Vědecká elektronická knihovna
Stejně jako v předchozí části o účinnosti plochých kolektorů se díváme na hodnoty okamžité účinnosti. Problematice srovnání celkové účinnosti solárních kolektorů během dne a v různých ročních obdobích se budeme věnovat v další kapitole.
Metodicky se výpočet okamžité účinnosti trubicového vakuového kolektoru shoduje s výpočtem účinnosti plochého. Existuje také koncept optické účinnosti, selektivních povlaků, účinnosti absorbéru a přenosu tepla energie do chladicí kapaliny. Nejlepší příklady vakuových trubicových kolektorů mají optickou účinnost 080–0,85.
Mezi plochými a trubkovými kolektory jsou ale dva hlavní rozdíly ve výpočtu účinnosti.
První se týká konstrukčních prvků instalace kolektorů. Ploché kolektory dostávají pouze přímé sluneční záření, protože mají průhledný povlak pouze na straně obrácené ke Slunci. Vakuové trubicové kolektory mohou být umístěny na sklonech střechy a při montáži přímo na střechu také přijímat převážně přímé sluneční záření. Pokud jsou však stejné kolektory instalovány na rámu a střecha je plochá, může světlo dopadat i na zadní stranu kolektoru a vakuové trubice vnímají sluneční záření rozptýlené a odražené od jiných objektů. Ve verzi kolektoru s vakuovými trubicemi mohou být provedení s reflektory – koncentrátory instalovanými v mezerách mezi trubicemi a za nimi. Podíl difúzního záření za jasného počasí může být asi 20 % přímého záření. A za oblačného počasí k přímému záření nedochází vůbec. Pokud tedy vezmeme v úvahu plochu apertury vakuového trubicového kolektoru při výpočtu jeho účinnosti, můžeme narazit na situaci, kdy je účinnost větší než jedna. Nejedná se o porušení zákonů zachování energie, jde o skutečnost danou schopností vakuových trubicových kolektorů přijímat energii z většího prostoru, než je plocha apertury. Pokud však nevezmeme v úvahu plochu otvoru vakuové trubice, ale také mezeru mezi nimi, pak vše zapadne na své místo a hodnota účinnosti bude menší než jedna. Proto v případech, kdy jsou uvedeny hodnoty účinnosti vyšší než jedna, mějte na paměti, že výpočty nezohledňovaly celkovou plochu kolektoru, ale plochu otvoru. Při porovnávání účinnosti různých typů kolektorů je nutné vzít v úvahu jejich celkovou plochu, pak to bude správné.
Druhým charakteristickým rysem je, že existují tepelné trubice vakuového kolektoru s přímým prouděním chladiva a tepelné trubice s fázovým přechodem kapalina-plyn a zpět („Heat pipe“). V prvním případě dochází k ohřevu chladicí kapaliny, stejně jako u plochých kolektorů, přímým ohřevem. Ve druhém případě dochází k mnohonásobnému přenosu tepla energie z jednoho uzlu do druhého, což způsobuje ztrátu asi 10 % energie. Obecný rozptyl okamžité účinnosti trubicových kolektorů se může pohybovat v rozmezí 0,65–0,8 a velmi závisí na konstrukci a typu tepelné trubice, absorbérech a dalších parametrech.
S přihlédnutím k výše uvedenému je třeba poznamenat, že hodnotu okamžité účinnosti solárních kolektorů je obtížné přesně určit výpočtem a měla by být stanovena experimentálně v závodě výrobce a uvedena v pasových údajích.
Výhody vakuových solárních kolektorů
Vakuum je výborný izolant. Veškerá tepelná energie přeměněná ze slunečních paprsků je soustředěna v centrálním kanálu vakuové trubice. Nedochází prakticky k žádným tepelným ztrátám do okolí. Důkazem toho je, že pokud se za jasného slunečného dne dotknete povrchu elektronky, budete mít pocit, že je zima. A naopak, pokud je v okolí chladno, pak vakuum působí jako překážka pro chlazení trubek centrálního kanálu.
Závěr: vakuové trubice a celý solární kolektor na nich založený lze používat celoročně.
Vakuové trubice jsou schopny přeměnit světelnou energii z rozptýleného, odraženého světla (zataženo).
Poskytuje téměř úplnou absorpci tepelné energie celého spektra (viditelné i infračervené části).
Vysoká spolehlivost systémů. Životnost je více než 15 let.
Možnost provádění servisních a opravárenských prací bez demontáže celého rozdělovače.
Teplota uvnitř kanálu ústředního topení může dosáhnout 400 °C.
Dlouhá pracovní doba přes den.
Řada konstrukcí je schopna provozu při jakémkoli úhlu dopadu slunečního světla.
Uvažujeme-li stejné plochy apertury plochých a trubicových vakuových solárních kolektorů, pak některá provedení vakuových trubic s válcovým absorbérem s vysoce selektivním povlakem mají výkon výrazně vyšší než ploché. Je to proto, že tyto typy elektronkových absorbérů jsou schopny přijímat plné záření, a to i ze zadní části elektronky.
Trubkový tvar je méně kontaminován prachem a organickým odpadem. Foukaný větrem.
Při svislém umístění se na nich méně hromadí sníh.
Nevýhody vakuových trubicových kolektorů
Hlavní nevýhodou vakuových solárních kolektorů je, že jejich plocha apertury se značně liší od celkových rozměrů kolektoru. Trubky jsou od sebe vzdáleny až o 1,5 průměru. To znamená, že při průměru trubky 57 mm je vzdálenost mezi nimi asi 85 mm. To se provádí proto, aby se zajistilo, že se trubky vzájemně nestíní, když jsou vystaveny přímému slunečnímu záření pod úhlem. Vzor dopadu slunečních paprsků je znázorněn na obr. 23. Z obrázku je zřejmé, že při dopadu paprsků pod pravým úhlem prochází značná část energie kolektorovými trubicemi. Tato hodnota je určena výhradně vzdáleností mezi trubkami. Vzdálenost mezi trubkami zároveň umožňuje zvětšit úhel, při kterém nedochází k zastínění sousedních trubek. S rostoucí vzdáleností se tento úhel zvětšuje.
Rýže. 23. Různé úhly dopadu přímého slunečního záření na trubice solárních kolektorů
V každém případě je plocha otvoru trubicových kolektorů menší než plocha plochých kolektorů. Tato nevýhoda je však kompenzována tím, že trubicové kolektory jsou schopny generovat tepelnou energii ve větším úhlovém rozsahu. Podle [3] je celková denní tepelná energie za stejných podmínek u vakuového trubicového kolektoru s válcovými absorbéry o 14 % větší než u plochého solárního kolektoru.
Donedávna se věřilo, že trubicové solární kolektory jsou dražší než ploché. Hromadná výroba trubicových kolektorů však snížila jejich cenu a v současnosti jsou náklady na kolektory stejné.
Další nevýhodou trubicových kolektorů je, že se na nich lepí sníh a mráz, zatímco ploché kolektory mají schopnost samočištění. Není to však tak úplně pravda. Ploché kolektory mají tavící režim, pokud je do nich v protiproudu nasměrováno ohřáté chladivo. To ale zaprvé vyžaduje spotřebu energie a zadruhé by se ploché solární kolektory neměly v zimě vůbec používat, proto není potřeba je podle tohoto kritéria porovnávat. Za třetí, sníh se nedrží na trubkových kolektorech tak dobře jako na plochých. Samozřejmě je zde otázka účinnosti použití solárních kolektorů v oblastech s dlouhými zimami a vysokou sněhovou pokrývkou, ale to platí pro všechny jejich typy a trubicové solární kolektory jsou jediné v úvahu, které mohou pracovat s rozptýleným i odraženým světlem.
Samostatnou problematikou je také otázka udržovatelnosti trubicových solárních kolektorů. Je možné vyměnit jednu vadnou vakuovou trubici bez vypuštění vody z celého rozdělovače? Některá provedení tuto možnost mají. A v jiných žádný není. Existuje mnoho provedení trubicových kolektorů. Na tuto otázku nelze jednoznačně odpovědět bez znalosti designu. Ale i v případě potřeby vypustit chladicí kapalinu ze systému lze říci, že demontáž může být provedena na místě.
V závěru kapitoly uvádíme údaje o podílech různých typů celosvětově používaných solárních termických kolektorů [4]. Znázorněno na obr. 24 ve formě diagramu.
Rýže. 24. Podíly různých solárně termických kolektorů používaných po celém světě[4]
Literatura na oddíle
1. GOST R 54856-2011: Zásobování budov teplem. Metodika výpočtu spotřeby energie a účinnosti systému výroby tepla se solárními zařízeními.
2. Kharchenko N.V. Individuální solární instalace. M., Energoatomizdat, 1991, 208 s.
3. 2017 Institute for Solar Technology Oberseestrasse 10 CH-8640 Rapperswil Tel. +41 55 222 48 21 [e-mail chráněný] Impressum VOP.
4. Butuzov V.A. Přehled světového trhu solárních topných systémů // S.O.K. Časopis, č. 12/2013.
Při výběru vakuového solárního kolektoru doporučujeme věnovat pozornost typu a konstrukci
trubice, potahující vnitřek vakuové trubice.
Existují následující typy vakuových solárních kolektorových trubic:
1. Trubky ve tvaru U;
2. Tepelné trubky Heat Pipe.
Hlavní rozdíly jsou v konstrukci trubek, účinnosti a životnosti.
Jak fungují solární kolektory Heat Pipe?
Jádrové trubice Heat Pipe se skládají ze dvou skleněných baněk: jedna je umístěna uvnitř druhé, jejíž konce jsou utěsněné, prostor mezi nimi je vyplněn vakuem. Vnější trubka je průhledná. Vnitřní trubka je potažena speciálním povlakem, který lépe absorbuje sluneční teplo a ohřívá cirkulující vodu. Vakuová vrstva mezi trubicemi zadržuje až 95 % tepla.
Kapalina s nízkým bodem varu je umístěna v uzavřené měděné nebo hliníkové tepelné trubici. Když teplota stoupne, kapalina v tepelné trubici se vaří a pára stoupá do tepelného výměníku, kde předává teplo vodě cirkulující kolem tepelného výměníku. Po ochlazení pára kondenzuje na stěnách výměníku a stéká dolů. Cyklus se bude znovu opakovat. Počet cyklů je omezen. Vakuová vrstva mezi trubicemi zadržuje až 95 % tepla.
Konstrukce vakuových trubic ve tvaru U:
Ve vakuových trubicových solárních kolektorech se fluor používá jako tepelný izolant. vakuum, vytvořený mezi dvěma skleněnými baňkami. Vnitřní trubka je potažena vysoce selektivní absorpční vrstva.
Úniky speciální solární kapaliny přes měděnou U-trubku dolů do potrubí a po zahřátí se vrací do rozdělovače rozdělovače. Hliníková deska akumuluje teplo z celého vnitřního povrchu vakuové trubice a předává je solární kapalině v měděné trubici.
Díky velmi krátké vzdálenosti mezi absorbérem a solární kapalinou je přenos tepla vysoce účinný. Díky tomuto řešení jsou tepelné ztráty trubicových kolektorů velmi nízké a kolektory dokážou odebírat teplo i při velmi slabém slunečním záření (slunce za mrakem – difúzní záření) nebo při extrémních teplotách (nízká teplota vzduchu a vysoká teplota ohřívané kapaliny).
Vnitřní povlak vakuových trubic:
Zvláštní pozornost stojí za to věnovat vnitřnímu povlaku stěny vakuové trubice. Lze použít tyto nátěry: černá barva, selektivní černá barva, černý chrom, vysoce selektivní nátěr. Tepelné trubky používají černý chromový povlak, trubky ve tvaru U používají vysoce selektivní povlak. Absorpce, odraz a účinnost vakuového solárního kolektoru závisí na vnitřním povlaku.
Vysoce kvalitní vnitřní povlak vakuové trubice zajišťuje vysokou účinnost solárního kolektoru.
Rozdíl mezi vakuovými trubicemi ve tvaru U a trubicemi Heat Pipe:
Hlavní rozdíl mezi vakuovými U-trubkovými solárními kolektory a vakuovými trubicemi se systémem HIT-PIPE je ten, že chladivo v systému U-trubice se při průchodu smyčkou (U) ohřívá, zatímco u systému HIT-PIPE se chladivo ohřívá v registru, do kterého je předáváno teplo z potrubního výparníku HIT-PIPE.
Tepelné ztráty v systému vakuových U-trubic jsou výrazně menší než u trubic heatpipe. Rozdělovač rozdělovače ve tvaru U je izolován 30 mm silnou vrstvou minerální vlny s křížovými vlákny a hliníkovou reflexní fólií pro minimalizaci tepelných ztrát z rozdělovače. Solární kolektory ve tvaru U poskytují snížení nákladů na energii v zimě a mimo sezónu při poměrně nízkých teplotách až do -30 °C. Proto jsou celoročně nejúčinnější U-trubkové solární kolektory.
Trubicové solární kolektory ve tvaru U umožňují efektivní odběr tepla ze slunečního záření s vysokou účinností i za extrémních podmínek.
Jejich výhody budou patrné zejména:
— při nízkých venkovních teplotách;
– při ohřevu vody na vysokou teplotu;
— při nízké intenzitě slunečního záření;
– s difúzním zářením, za oblačného počasí.
Naše společnost poskytuje technickou pomoc ve fázi výběru a návrhu solárních systémů, dále provádí instalaci, montáž a údržbu trubicových vakuových kolektorů.