Kolektory słoneczne: jak ocenić sprawność, temp. stagnacji?

Na temat sprawności kolektorów słonecznych napisano już wiele, a można zaryzykować stwierdzenie, że „wręcz wszystko”. Tematykę zakresu badań kolektorów poruszono szczegółowo na przykład w opracowaniu [1].  Zagadnieniu badania wydajności kolektorów słonecznych poświęcano w ośrodkach badawczych kilku krajów europejskich bardzo wiele uwagi dążąc do uporządkowania metod pomiarowych.

Wprowadzenie normy EN 12975, a w dalszej kolejności upowszechnienie stosowania certyfikatów Solar Keymark ostatecznie uporządkowało zagadnienie konieczności uzyskania dla kolektora słonecznego potwierdzonej wiarygodnie sprawności i jakości. Na dzień dzisiejszy w bazie certyfikatów (solarkeymark.org) znajduje się blisko 1600 certyfikatów kolektorów słonecznych, które dzięki temu mogą być stosowane na rynkach krajów europejskich. Dla  kolektora certyfikat Solar Keymark jest często warunkiem uzyskania dotacji do inwestycji w poszczególnych krajach, w tym także w Polsce.

Sprawność odnosimy do powierzchni apertury
Zgodnie z certyfikatem Solar Keymark

Sprawność kolektora słonecznego to w zasadzie prosta zależność – ciepła przekazanego do czynnika grzewczego w odniesieniu do promieniowania słonecznego (W/m²) docierającego do powierzchni szyby. Określanie sprawności kolektora słonecznego jest ściśle zdefiniowane normą europejską, znaną w Polsce pod symbolem PN-EN 12975-2 „Cieplne instalacje słoneczne i ich elementy – Kolektory słoneczne – Część 2: Metody badań”. Specyfika pracy kolektora słonecznego w zmiennych warunkach zewnętrznych i wewnętrznych zdecydowała o tym, że już we wcześniejszych procedurach badań określono konieczność badania 3 podstawowych parametrów takich, jak:

• sprawność optyczna, h₀
• współczynnik strat ciepła liniowych k₁ (W/m²)
• współczynnik strat nieliniowych k₂ (W/m²K²)

Ich znajomość pozwala na wyrysowanie wykresu sprawności kolektora słonecznego dla różnych natężeń promieniowania słonecznego (W/m²) i odczytanie sprawności w różnych warunkach pracy zależnych od temperatury absorbera i otoczenia kolektora słonecznego. O ile same parametry są jednoznaczne w definicji, to rozbieżności mogą się pojawiać w momencie ich przedstawiania przez producenta, gdyż mogą się odnosić do trzech rodzajów powierzchni kolektora słonecznego: całkowitej (brutto), absorbera lub apertury (rys.1.).
Certyfikaty Solar Keymark ujednolicają tę kwestię, odnosząc wyżej wymienione parametry do powierzchni apertury. Porównując ze sobą kolektory słoneczne, należy odnosić parametry do tej samej powierzchni. Raporty z badań często określają dla nich wydajności cieplne, które są podawane zazwyczaj nie jednostkowo, ale konkretnie na cały moduł kolektora. Stanowi to dodatkową i jednoznaczną informację pozwalającą zorientować się, ile ciepła chwilowo jest w stanie dostarczyć dane urządzenie.

 

Ten sam kolektor, 2 różne laboratoria i… niejednakowe reguły badań i niejednakowe wyniki

Charakterystyczne parametry związane  z wydajnością kolektora słonecznego są określane według ścisłych reguł zawartych w normie PN-EN 12975-2. W Europie istnieje kilkanaście certyfikowanych laboratoriów, które wykonują tego rodzaju badania.

Do najbardziej znanych o długiej (często ponad 20-letniej) praktyce badawczej, należą np. ISH Rapperswil (Szwajcaria) czy też ISFH Hameln (Niemcy).

Z punktu widzenia inwestora najważniejszym jest sam fakt posiadania certyfikatu Solar Keymark, który potwierdza spełnienie przez kolektor wymagań jakościowych zawartych w normie PN-EN 12975-1.  Dodatkowo certyfikat informuje o parametrach wydajności cieplnej kolektora słonecznego. Wspomniana wcześniej  norma PN-EN 12975-2  i co za tym idzie procedury określania parametrów wydajności, są jednakowe dla wszystkich jednostek certyfikujących. A zatem wyniki badań powinny mieć także porównywalne wartości. Jednak jak wskazuje praktyka, sytuacje w tym zakresie mogą być czasem zaskakujące, czego przykładem może być sytuacja przedstawiona na rys.3. Dla tego samego, identycznego kolektora płaskiego oferowanego przez znanego na rynku producenta, zostały wystawione dwa różne raporty z badań, z dwóch odrębnych ośrodków.
Powyższa sytuacja stanowi rzecz jasna niewytłumaczalny racjonalnie wyjątek, ukazujący jednak , że możliwe są różnice pomiędzy wynikami badań tego samego kolektora słonecznego czy też jego komponentów (np. absorber, szkło). W praktyce nie powinny być to jednak aż tak drastycznie widoczne różnice, jak ta opisana na rys.3.

Różnice w sprawności w warunkach laboratoryjnych i w praktyce

Pytanie jakie pojawia się często przy wszystkich rodzajach urządzeń grzewczych, to kwestia na ile parametry określone w badaniach w warunkach laboratoryjnych, pokrywają się później z parametrami urządzenia pracującego w normalnych warunkach roboczych. Metody badań sprawności średniorocznych kotłów grzewczych, czy też rocznych współczynników efektywności pomp ciepła, mają na celu przedstawianie spodziewanej efektywności pracy urządzeń w warunkach zbliżonych do rzeczywistych. Dla kolektorów słonecznych nie jest określana sprawność uśredniona w czasie, a w miejsce tego opisuje się efektywność roczną ilości ciepła pozyskiwanego z 1 m² powierzchni absorbera. Miarą efektywności pracy kolektora, czy też całej instalacji solarnej jest wskaźnik kWh/m²rok. Programy komputerowe służące do prognozowania efektu oszczędności z zastosowania instalacji solarnej, pozwalają właśnie na określenie przewidywanych uzysków ciepła. Ciekawe jest także zestawienie rzeczywistej sprawności pracy kolektorów słonecznych z „katalogowymi” wartościami (rys.4.).

Różnica z wykresu (rys.4.) wynika z faktu, że sprawność mierzona w warunkach roboczych dotyczy całego obiegu kolektorów słonecznych, a zatem obejmuje straty ciepła z przewodów czynnika grzewczego. Dodatkowo na niższą sprawność wpływ ma zabrudzenie szyb kolektorów w układzie, wyższa prędkość powietrza zwiększająca straty ciepła z kolektorów, a także ewentualne nierównomierne natężenia przepływu czynnika grzewczego przez absorbery [2].

”]Ważne jest także zwrócenie uwagi na fakt, że znaczna część producentów zleca badania laboratoryjne w oparciu o wodę jako czynnik grzewczy. W porównaniu do mieszanki z glikolem (zazwyczaj 40% glikolu), woda ma korzystniejsze własności pod względem przejmowania  oddawania ciepła: wyższe ok. 15% ciepło właściwe, korzystniejszy współczynnik wnikania ciepła, niższą lepkość. Zastosowanie wody nie jest jednocześnie rekompensowane niższym natężeniem przepływu, a wręcz odwrotnie. Przykładowo kolektor harfowy jednego z producentów badany był dla natężenia przepływu wody 73 dm³/m²xh, podczas, gdy standardowo dla glikolu dla tego typu kolektora wystarczające jest natężenie 50-60 dm³/m²xh. Ten sam producent zaleca z kolei natężenie przepływu już dla glikolu na poziomie 32 dm³/m²xh! Według badań SPF Rapperswil [3], zastosowanie wody jako czynnika grzewczego może zwiększyć sprawność kolektora słonecznego o +2%, a zwiększenie natężenia przepływu o dalsze +1%. A zatem wspomniany kolektor z wynikami badań opartymi o zastosowanie wody, w rzeczywistych warunkach pracy z glikolem jako czynnikiem grzewczym, może mieć niższą o przynajmniej -3% sprawność pracy.

Reasumując, należy mieć na uwadze fakt, że określanie parametrów kolektorów słonecznych może mieć różny przebieg pomimo ustanowienia jednolitych w tym zakresie wytycznych. Należy brać pod uwagę to, dla jakich powierzchni są przedstawiane parametry wydajnościowe, aby właściwie je porównywać. Dodatkowo jednak warto także zadać sobie trud sprawdzenia przynajmniej w certyfikacie Solar Keymark miejsca badania kolektora i rodzaju czynnika grzewczego. Pomimo jednej ustalonej metody badania, występować tu mogą różnice pomiędzy wynikami badań tego samego kolektora. Dodatkowym plusem dla klienta może być więc fakt badania kolektora w uznanym ośrodku o zbliżonych do Polski warunkach klimatycznych.

Temperatura stagnacji – lepsza niższa czy wyższa?

Jeśli jest mowa o wydajności cieplnej kolektora słonecznego, to należy wspomnieć przy tym o temperaturze stagnacji, jaką określa się także w warunkach laboratoryjnych. Kolektor w stanie równowagi cieplnej, przy braku odbioru ciepła i w normatywnych warunkach: promieniowania słonecznego 1000 W/m² i przy temperaturze otoczenia 30^oC, osiąga maksymalną temperaturę tzw. postojową czy stagnacji. Pomijając rzadko stosowane obecnie rozwiązanie z ogranicznikami temperatury maksymalnej (np. Thermomax), temperatura stagnacji nie jest ograniczona w inny sposób i jej wartość zależy od konstrukcji kolektora słonecznego.
Czy temperatura stagnacji powinna być wyższa, czy niższa? Niektórzy producenci sugerują, że im będzie niższa temperatura stagnacji kolektora słonecznego, tym korzystniejsze będzie to dla instalacji solarnej, która nie będzie przegrzewana. Nie jest to jednak zgodne z prawdą, ponieważ to czy temperatura stagnacji będzie na poziomie 170^oC, czy też 220^oC i tak przy częstym występowaniu zagraża przede wszystkim czynnikowi grzewczemu.

Temperatura stagnacji świadczy natomiast o cechach konstrukcyjnych kolektora słonecznego. Im wyższa, tym więcej promieniowania słonecznego jest w stanie dotrzeć do absorbera i tym mniej strat ciepła będzie następowało do otoczenia (rys.2.).

Inaczej patrząc na porównanie bilansu cieplnego kolektorów słonecznych (rys.2.) można stwierdzić, że dla tej samej temperatury absorbera 170^oC, kolektor o niższej deklarowanej temperaturze stagnacji będzie miał wyższe straty ciepła Q₂. Kolektor z wyższą temperaturą stagnacji będzie w stanie w dalszym ciągu podwyższać temperaturę absorbera dzięki niższym stratom ciepła do otoczenia Q₂. Ochrona czynnika grzewczego oraz elementów instalacji przed przegrzewaniem zależna jest przede wszystkim od konstrukcji orurowania absorbera i jego zdolności do swobodnego opróżniania się z wrzącego glikolu.

Literatura:

1. „Badania cieplne kolektorów słonecznych wraz z interpretacją wyników”. K.Kurowski. InstalReporter 10.2011 (numer  17)
2. „Solarthermie2000plus. 4. Zwischenbericht für das Projekt Solaranlage im Wohngebiet ehemaliger Schlachthof in Speyer”. ZfS – Förderprogramm 09.2009
3. “Einfluss einiger Prüfparameter auf das Kollektor-Messergebnis”. C.Müller-Scholl, U.Frei. SPF Rapperswil 2002