Účinnost vakuových trubkových solárních kolektorů (II)

V minulé části [1] byl ukázán vliv účinnostního součinitele F' na celkovou účinnost solárního kolektoru, významný zvláště v případě vakuových trubkových kolektorů, kde ostatní hlavní parametry kolektoru (propustnost zasklení τ = 0,92, pohltivost absorbéru α = 0,95 a součinitel prostupu tepla kolektoru U = 1,0 W/m².K) jsou na hranici současných možností. V této části bude teoreticky a prakticky na základě experimentálních měření rozebrán vliv konstrukčního řešení typických variant trubkových vakuových kolektorů na hodnotu účinnostního součinitele.

JEDNOSTĚNNÝ TRUBKOVÝ VAKUOVÝ KOLEKTOR

Z hlediska konstrukčního řešení absorbéru je jednostěnný vakuový trubkový kolektor obdobný kolektoru plochému. Plochá lamela absorbéru je navařena na měděné potrubí protékané teplonosnou kapalinou, případně na výparníku tepelné trubice. Na obr. 1 je schématicky znázorněn přenos tepla z plochého absorbéru do teplonosné kapaliny u varianty s přímo protékaným registrem. Tepelný odpor R_v,l vyjadřuje vedení tepla lamelou, 1/R_v,s je tepelný odpor spoje absorpční lamely s protékaným potrubím a R_k,i odpor vůči přestupu tepla konvekcí z vnitřní stěny trubky do teplonosné kapaliny. Součinitel prostupu tepla U vyjadřuje tepelnou ztrátu z absorbéru do okolí. Ultrazvukově nebo laserově navařený plochý absorbér na trubkový registr (U-smyčka) vykazuje vysokou tepelnou propustnost podobně jako u plochých kolektorů. Šířka lamely absorbéru W je obdobná jako u plochých kolektorů (100 až 130 mm) nebo v řadě případů je lamela dokonce užší (50 až 100 mm podle průměru vakuové trubky) a vykazuje tak menší odpor vůči toku tepla vedením z povrchu absorbéru do místa spoje s měděným potrubím a tedy vyšší hodnotou F' než u běžných plochých kolektorů. Vliv rychlosti proudění teplonosné kapaliny na účinnostní součinitel není příliš výrazný, detailní analýza byla provedena například v [2]. Analogické schéma přenosu tepla je možné použít i pro jednostěnné trubkové vakuové kolektory s tepelnou trubicí.

Obr. 1 Schéma přenosu tepla v jednostěnném trubkovém kolektoru s plochým
absorbérem s přímo protékanou potrubní U-smyčkou (PP)

Z konstrukčního řešení absorbéru, účinného z hlediska přenosu tepla, vyplývá vysoko položená hodnota účinnostního součinitele F' a tedy i účinnosti při nulovém teplotním spádu η_o, srovnatelná s hodnotami dosahovanými u kvalitních plochých kolektorů. Vakuovaný prostor okolí absorbéru a spektrálně selektivní povrch s nízkou emisivitou v oblasti infračerveného záření zajišťují minimální tepelné ztráty vyjádřené nízkou hodnotou směrnice křivky (poklesu účinnosti s narůstajícím teplotním rozdílem mezi absorbérem a okolím). Jednostěnné trubkové vakuové kolektory je možné považovat za nejúčinnější nekoncentrační kolektory v rozsahu provozních teplot od 20 °C do 150 °C ve vztahu k ploše apertury (zasklení).

Obr. 2 Křivky účinnosti pro běžné jednostěnné vakuové trubkové kolektory

TRUBKOVÝ SYDNEY KOLEKTOR S PŘÍMO PROTÉKANOU U-TRUBKOU (PP)

Při bližším prozkoumání rovnice účinnosti kolektoru (viz obr. 3) zjistíme, že u trubkových vakuových Sydney kolektorů jsou základní vlastnosti kolektoru (propustnost zasklení τ, pohltivost absorbéru α, součinitel prostupu tepla U) dány kvalitou vlastní Sydney trubky až na účinnostní součinitel F'. Součinitel F' však významně ovlivňuje celkovou účinnost kolektoru, jak z rovnice plyne. Nízká hodnota F' znamená přímo úměrně nízkou hodnotu účinnosti kolektoru v celém teplotním rozsahu. Pro výrobu účinného trubkového Sydney kolektoru je proto nutné kromě použití kvalitní vakuové Sydney trubky zajistit i účinný přenos tepla z absorpční trubky (jejího vnitřního povrchu) do teplonosné kapaliny.

Obr. 3 Rovnice účinnosti solárního kolektoru

Na obr. 4 je zobrazeno schéma přenosu tepla v trubkovém přímo protékaném (PP) Sydney kolektoru. Použití vodivé lamely (hliník, měď) dotýkající se celoplošně (nezbytný přesně odpovídající tvar lamely) jak vnitřního povrchu absorpční trubky, tak vnějšího povrchu potrubí registru (U-smyčka) protékané teplonosnou kapalinou je základní podmínkou pro dobrý přestup tepla (nízký tepelný odpor R_v,l), nicméně velmi záleží na kvalitě obou kontaktů, reprezentovaných tepelnými odpory R_v,s1 a R_v,s2 (viz obr. 4). Do jaké míry má použití vodivé lamely vliv na přenos tepla a tím i na účinnost celého kolektoru ukazuje obr. 5, kde je porovnán kvalitní Sydney kolektor (PP) s celoplošným kontaktem lamely s vnitřním povrchem absorpční trubky a vnějším povrchem teplonosnou kapalinou protékané U-smyčky potrubního registru (varianta A, černá barva) se zcela identickým kolektorem, nicméně bez lamely (varianta B, šedá barva). Z grafu vyplývá výrazný pokles účinnosti způsobený absencí lamely. Přenos tepla z absorbéru k U-smyčce registru je však kromě vedení lamelou realizován i zářením (protékaná U-smyčka je téměř v ohnisku vnitřní plochy absorpční trubky) a volnou konvekcí, což vysvětluje skutečnost, že i v případě absence lamely není účinnost kolektoru nulová.

Obr. 4 Schéma přenosu tepla v trubkovém Sydney kolektoru (PP)

Ve stejném grafu na obr. 5 jsou zobrazena také další konstrukční uspořádání (varianty C a D), u kterých je sice lamela přítomna, nicméně absorpční trubky se nijak nedotýká. Přenos tepla z absorpční trubky do teplonosné kapaliny je tak poměrně komplikovaný: sáláním a volnou konvekcí na lamelu a dále vedením lamelou a více či méně vodivým spojem s U-smyčkou potrubního registru, což znamená výrazné zhoršení účinnostního součinitele F'. Rozdíl v křivkách mezi konstrukčním uspořádáním C a D je možné vysvětlit vyšší přestupní plochou lamely u varianty D.

Obr. 5 Porovnání různého konstrukčního řešení trubkových Sydney kolektorů

TRUBKOVÝ SYDNEY KOLEKTOR S TEPELNOU TRUBICÍ (TT)

V současné době na český trh přichází řada levných trubkových Sydney kolektorů s tepelnou trubicí od čínských výrobců, které se vyznačují sice jednoduchým uspořádáním kondenzační části (trubkové pouzdro pro "suché" zasunutí kondenzátoru), nicméně často se špatným kontaktem, kdy povrch kondenzátoru nedoléhá dostatečně k vnitřnímu povrchu pouzdra. Na obr. 6 je schematicky znázorněn tepelný odpor problematických částí konstrukčního uspořádání trubkového Sydney kolektoru s tepelnou trubicí.

Obr. 6 Schéma přenosu tepla v trubkovém vakuovém Sydney kolektoru s tepelnou
trubicí (TT)

Právě u konstrukční varianty s tepelnou trubicí (TT) je vliv dostatečně vodivého kontaktu ještě kritičtější, neboť se týká výparníkové i kondenzační části tepelné trubice (tepelný odpor spoje kondenzátor-pouzdro R_v,p a tepelný odpor spoje vodivá lamela-výparník R_v,s), na jejichž vnitřním povrchu dochází k fázové změně pracovní látky doprovázené vysokými součiniteli přestupu tepla (vyjádřené jako tepelný odpor R_f) a nedostatečný přenos tepla na vnějších površích může výhodu fázové změny výrazně degradovat. Na obr. 7 jsou znázorněny experimentálně zjištěné křivky účinnosti výše zmíněných levných Sydney kolektorů s tepelnou trubicí vztažené k ploše apertury [3]. Dolní křivka odpovídá běžnému stavu, kdy kondenzátor je "nasucho" nasunut do pouzdra (špatný kontakt). Z grafu je patrné, že křivka účinnosti je položena velmi nízko vlivem nedostatečného přenosu tepla mezi absorbérem Sydney trubky a teplonosnou kapalinou (přehřívání absorbéru). Pro stejný kolektor (stejné tepelné trubice, stejné Sydney trubky) byla provedena změna v kondenzační části kolektoru. Pro zlepšení kontaktu byla aplikována tepelně vodivá pasta, zajišťující přenos tepla z kondenzátoru do pouzdra a teplonosné kapaliny. Zvýšení účinnostního součinitele F' pak znamená odpovídající posun celé křivky účinnosti do oblasti vyšších hodnot.

Obr. 7 Experimentálně zjištěné křivky účinnosti trubkových vakuových Sydney
kolektorů s tepelnou trubicí

ZÁVĚR

Z teoretického rozboru a experimentálních zkoušek vyplývá, že účinnost kolektorů obecně vždy závisí kromě "hlavních" parametrů kolektoru (τ, α, U) také na nenápadném a především ve starší tuzemské literatuře velmi zanedbávaném a nezmiňovaném účinnostním součiniteli F' vyjadřujícím kvalitu přenosu tepla z absorbéru do teplonosné kapaliny. Řada výrobců a dodavatelů vakuových trubkových kolektorů tuto skutečnost přehlíží a výsledkem jsou málo účinné trubkové kolektory s vysoce účinnými Sydney trubkami.

POZNÁMKA

Experimentální hodnocení a zkoušení řady trubkových solárních kolektorů s různým konstrukčním řešením bylo prováděno v Solární laboratoři Ústavu techniky prostředí ČVUT v Praze v letech 2006 až 2008 [4, 5] v rámci Výzkumného záměru MSM 684077011. Solární laboratoř slouží pro výzkum aplikací v oblasti využití sluneční energie a v rámci své činnosti zajišťuje zkoušky tepelného výkonu solárních kolektorů podle ČSN EN 12975 [6] jako podklad pro jejich certifikaci. Mezi solárními kolektory zkoušenými pro certifikaci se právě v posledních letech stále více objevují trubkové kolektory se Sydney trubkami. Z měření a vyhodnocování účinnosti a výkonu těchto kolektorů vyplývají poznatky důležité jak pro jejich návrh tak pro jejich použití v solárních soustavách. Mezi uvedenými hodnocenými kolektory nejsou trubkové Sydney kolektory s odrazným zrcadlem (reflektorem), neboť na tyto ve své podstatě koncentrační kolektory se nevztahuje metodika zkoušení a hodnocení dle normy [6], přičemž jiná standardizovaná metodika v současné době neexistuje.

LITERATURA

[1] Matuška, T.: Účinnost vakuových trubkových solárních kolektorů (I), Portál tzb-info. 2008.
[2] Matuška, T.: Vliv návrhu trubkového registru absorbéru na účinnost solárního kolektoru, Vytápění, větrání, instalace. 2006, roč. 15, č. 3, s. 143-145. ISSN 1210-1389.
[3] Šourek, B., Matuška, T.: Zkušenosti ze zkoušení vakuových trubkových solárních kolektorů, Sborník konference Vykurovanie 2008 - Energetická efektívnosť zásobovania teplom, str. 275 - 278, Tatranské Matliare, 2008. ISBN 978-80-89216-19-2.
[4] Šourek, B., Matuška, T.: Solární laboratoř na Ústavu techniky prostředí, fakulty strojní, ČVUT v Praze, Alternativní energie, roč. X, č. 4, 2007.
[5] Webové stránky Solární laboratoře Ústavu techniky prostředí, fakulty strojní, ČVUT v Praze, http://solab.fs.cvut.cz
[6] ČSN EN 12975-2 Tepelné solární soustavy a součásti - Solární kolektory - Část 2: Zkušební metody. ČNI 2006.

PODĚKOVÁNÍ

Výzkum účinnosti trubkových solárních kolektorů byl podpořen z Výzkumného záměru MSM 6840770011 Technika životního prostředí.