Spojrzenia na próżnię. Parametry kolektorów słonecznych

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf pdf

W artykule postaram się wyjaśnić, jak wiele sprzeczności i niedomówień istnieje przy porównaniu kolektorów słonecznych próżniowych.

Obecnie produkowane kolektory próżniowe
w swej budowie różnią się dość znacznie, również zastosowana liczby rur w jednym kolektorze sprawia trudność w prawidłowym doborze instalacji. Powstaje więc pytanie, jak porównać do siebie kolektory próżniowe o różnej budowie, zasadzie działania i różnej ilości rur i ich średnicy. Tym bardziej, że na swoich stronach internetowych niektórzy producenci podają, że ich kolektory to szczyt techniki solarnej, a materiały, z których są wykonane, pochodzą wręcz z NASA. Przeciętnemu inwestorowi czasami trudno się połapać w danych technicznych, nie zawsze prawdziwych, bo tam, gdzie parametry u jednych są pokazywane jako szczytowe osiągnięcie, u innych są skrzętnie skrywane, a w ich miejsce wstawiane inne, niedające się z niczym porównać.

Do porównań przyjęto kolektory próżniowe składające się z tej samej liczby rur (10 szt.). Każdy z modeli różni się między sobą budową wewnętrzną oraz sposobem przekazywania ciepła.

I tak kolektor KSR 10 składa się z rury próżniowej o pojedynczej ściance, gdzie wewnątrz umieszczono płaski listek absorbera, z którego ciepło odbierane jest w sposób bezpośredni. Kolektory: CRD 10, Power 10, EDS-10-58-1800 posiadają dwie rury szklane, między którymi wytworzono próżnię, a warstwa absorpcyjna napylona jest na zewnętrznej warstwie wewnętrznej rury. W kolektorach CRD 10 oraz Power 10 transport ciepła odbywa się w sposób bezpośredni poprzez „u-rurkę”, która jest przymocowana do tubusa metalowego wewnątrz rury próżniowej. Natomiast w kolektorze EDS-10-58-1800 transport ciepła odbywa się poprzez współosiowo umieszczoną rurkę ciepła (heat-pipe) wewnątrz rury próżniowej, wykorzystując przemianę fazową cieczy umieszczonej wewnątrz (wrzenie i skraplanie).

We wszystkich przypadkach do porównań przyjęto wyniki badań kolektorów próżniowych z ośrodka SPF w Rapperswil publikującego raporty na stronie internetowej.

Wstępna analiza porównawcza Podstawowym kryterium porównywanych kolektorów (jak i innych urządzeń grzewczych) jest ich sprawność. W przypadku kolektorów słonecznych jest to sprawność optyczna wyznaczona w stosunku do powierzchni apertury oraz w stosunku do powierzchni absorbera. Dla lepszego zobrazowania wyników dane zaprezentowano w tabeli 1.

Analizując powyższą tabelę, widać, że sprawność jest iloczynem maksymalnej mocy kolektora w stosunku do jego powierzchni tak dla apertury, jak i absorbera.
Np. 0,791/1,014 = 0,78 dla powierzchni apertury lub 0,791/0,931 = 0,85 dla powierzchni absorbera.

Producenci jednak rzadko podają obydwie sprawności na swoich stronach internetowych. Raczej praktyką powszechną jest podawanie tej wyższej sprawności. Na ogół podawana jest sprawność bez określania, w stosunku do jakiej powierzchni jest liczona.

I tak jeżeli naszym kryterium wyboru kolektora będzie sprawność w stosunku do powierzchni apertury, to kolektor KSR 10 będzie na pierwszym miejscu, dalej kolektor Power 10, następnie CRD 10 i na ostatnim miejscu EDS-10-58-1800.

Jeżeli zaś przyjmiemy kryterium w stosunku do powierzchni absorbera, to najlepszym okaże się kolektor KSR 10, dalej EDS-10-58-1800 (który w poprzednim kryterium był najgorszy), dalej kolektor Power 10 i najgorszy CRD 10. Proszę jednak zwrócić uwagę, że kolektory CRD 10 i Power 10 powierzchnię absorbera mają większą niż powierzchnię całkowitą, co mogłoby się wydawać pewną sprzecznością. Wynika to z faktu dodania lustra pod kolektorem, a którego powierzchnia również jest brana pod uwagę i im jest większa powierzchnia lustra, tym gorszy jest wynik sprawności. Po analizie również innych kolektorów, które posiadają lustra płaskie czy paraboliczne, dochodzimy do wniosku, że właśnie te mają najgorsze sprawności, co by one nie znaczyły. Z tak przedstawionych wyników można stwierdzić, że istnieje tu swoista kwadratura koła. A przecież producent, dodając lustro, podnosi ilość energii uzyskiwanej z kolektora próżniowego, wykorzystując przerwy między rurami. W tym miejscu należy się zastanowić, czy patrząc na sprawność, faktycznie kolektory CRD 10 i Power 10 są tak kiepskiej jakości. Otóż nie, wręcz przeciwnie.

Jeżeli zaś naszym kryterium doboru będzie maksymalna moc kolektora, a nie sprawność interpretowana w sposób dowolny, to sytuacja będzie już bardziej klarowna, gdzie dla potencjalnego nabywcy powierzchnia nie ma większego znaczenia. Porównując maksymalną moc w naszym zestawieniu, okazuje się, że kolektory z lustrami są jednak kolektorami najlepszymi i nasze porównanie będzie wyglądało następująco: najlepszym będzie CRD 10, który poprzednio był jednym z najgorszych, dalej Power 10, następnie KSR 10 i na końcu EDS-10-58-1800.

Proszę zwrócić uwagę, że w każdym zestawieniu następuje przetasowanie wartości kolektorów, a przecież są to kolektory o tej samej ilości rur.

Czy aby na pewno ten sposób wyboru kolektora będzie odpowiedni, spyta uważny czytelnik. Przecież w obliczeniach nie uwzględniamy strat cieplnych, które się też wyznacza. Otóż zależą one już od samego wykonania kolektora i wykonania izolacji. A wielkość tych strat wyznacza wykres maksymalnej mocy. Im bardziej linia pochyla się do osi x, tym większe są straty cieplne, np. kolektor EDS-10-58-1800 przy promieniowaniu 1000 W/m2 i przy różnicy temperatur 100oC będzie już pracował z mocą wynoszącą tylko ok. 270 W.

Prócz prezentowanych wyżej parametrów kolektora podczas badań wyznacza się jeszcze: stałą czasową kolektora, pojemność cieplną, opory przepływu przez kolektor, straty cieplne oraz modyfikator kąta padania. Jednak chcąc porównać według tych kryteriów, trzeba by na początek mocno zagłębić się w normy opisujące te zagadnienia, które jednak dla przeciętnego inwestora są w dużej części niezrozumiałe.

Z tak przedstawionych wyników można by sądzić, że wyniki badań kolektorów słonecznych, wykonanych wg normy PN-EN 12975, nie są wyłącznymi wyznacznikami ich wartości, tym bardziej, że nie istnieją jakiekolwiek wytyczne, które by je klasyfikowały (PN-EN 12975-1). Jednak trzeba przyjąć jakieś kryteria doboru i wyboru kolektorów słonecznych, szczególnie kolektorów próżniowych.

Można by się zastanawiać, czy pod uwagę brać maksymalną moc kolektora wyznaczoną przy promieniowaniu 1000 W/m2, bo ta jest jednak wyznaczana w warunkach laboratoryjnych i rzadko osiągalna w konkretnej instalacji. Czy nie trzeba byłoby stosować porównań przy niższym promieniowaniu, np. 600 W/m2 i 400 W/m2. Dałoby to pełniejszy obraz osiągów kolektora przy gorszych warunkach nasłonecznienia, bardziej zbliżonych do rzeczywistości.

A jednak z całej tej gamy wykresów, tabel i zestawień wystarczy wziąć jeden, chyba najważniejszy, parametr dla potencjalnego użytkownika, a jest to maksymalna moc kolektora [W]. Wykonując proste działanie – cena kolektora podzielona przez maksymalną moc kolektora – otrzymamy cenę jednostkową mocy.

Współczynnik strat mocy Dokładnie tak, jak to się dzieje przy bateriach słonecznych, a przecież tam nikt nie wyznacza skomplikowanych zestawień technicznych, a podlegają one jednak tej samej procedurze badań.

Do naszych celów porównawczych stwórzmy jeszcze jeden parametr, nazywając go współczynnikiem strat mocy kolektora, który w pewnej mierze będzie odzwierciedlał współczynniki strat cieplnych, a będzie to iloraz największej mocy kolektora (przy różnicy temp. 0oC) do mocy przy różnicy temperatur 70oC. I tak dla kolektora idealnego (bez strat) współczynnik będzie wynosił 1. Dla kolektora EDS-10-58-1800 współczynnik ten będzie wynosił: 521/300 = 1,72, a więc dość niekorzystnie.

Wprowadźmy w tabeli 2 w ostatniej kolumnie jeszcze jeden współczynnik bezwymiarowy. Otóż przy wyborze kolektora może okazać się, że jeden kolektor ma korzystny współczynnik ceny do mocy kolektora, ale za to gorszy współczynnik strat mocy i odwrotnie. Wystarczy przemnożyć wyniki w obydwu kolumnach, aby uzyskać jednolity obraz, które kolektory mają najkorzystniejsze parametry (im mniejszy wynik w ostatniej kolumnie, tym lepiej). Do porównań dużej części kolektorów próżniowych wzięto dane z prezentowanych raportów badań oraz materiały ze stron internetowych producentów.

W przedstawionym opracowaniu starałem się przybliżyć, jak czasami złudne jest patrzenie na kolektor próżniowy tylko pod kątem jego sprawności optycznej (w szczególności dotyczy to kolektorów z lustrem). Celowo nie zagłębiałem się w opisywanie poszczególnych parametrów bardziej złożonych lub ich zależności, bo dla przeciętnego czytelnika byłoby to nie zrozumiałe. Z doświadczenia wiem, że nawet osoby zajmujące się montażem instalacji solarnych mają duże kłopoty w interpretacji wyników z raportów badań kolektorów lub ich wcale nie rozumieją.

Witold Jabłoński

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij