Temperatura stagnacji a sprawność kolektora słonecznego (1). Solar z klasą

Temperatura stagnacji jest parametrem określanym w ramach badania  kolektora słonecznego zgodnie z normą EN 12975-2. Jej wartość jest  umieszczana w certyfikacie Solar Keymark. Część pierwsza artykułu skupia  się na powiązaniu tego parametru z cechami konstrukcyjnymi i  sprawnością kolektora słonecznego.

Pomiar temperatury stagnacji odbywa się bezpośrednio na powierzchni absorbera kolektora płaskiego, a w przypadku kolektora próżniowego w dostępnym miejscu o najwyższej temperaturze (z uwagi na zamknięcie absorbera w rurze próżniowej) – zwykle jest to wyjście rury czynnika grzewczego. Z definicji przedstawia ona temperaturę absorbera przy braku odbioru ciepła z kolektora słonecznego w warunkach idealnego dnia – przy promieniowaniu słonecznym 1000 W/m2 i temperaturze otoczenia +30oC (rys. 1).

Temperatura stagnacji nazywana jest czasem potocznie temperaturą postojową lub też stanem równowagi cieplnej, gdyż zyski cieplne od promieniowania słonecznego są równoważone wtedy przez straty ciepła do otoczenia (sprawność = 0). Temperatura ta jest brana pod uwagę przy wyborze materiałów kolektora słonecznego, w szczególności izolacji cieplnej, absorbera, barier dyfuzyjnych, powierzchni odbijających promieniowanie słoneczne itd. [1].

Temperatura stagnacji a sprawność

Temperatura stagnacji na wykresie charakterystyki sprawności kolektora słonecznego jest punktem, w którym sprawność pracy wynosi 0. Wobec tego widoczna jest Solar z klasąwspółzależność temperatury stagnacji od przebiegu krzywej sprawności. Im bardziej płaski będzie przebieg krzywej, tym przy większej różnicy temperatury (ΔT – różnica pomiędzy absorberem a otoczeniem) nastąpi jej przecięcie z osią poziomą.
Dlatego dla kolektorów próżniowych, dla których krzywa sprawności ma płaski przebieg (niskie współczynniki strat ciepła a1, a2), uzyskiwana jest zwykle wysoka temperatura stagnacji, nawet na poziomie wyższym niż 300oC (rys. 2).
Sprawność pracy w danych warunkach zależy więc od przebiegu krzywej sprawności kolektora słonecznego, na co decydujący wpływ mają dwie skrajne wartości: sprawności optycznej oraz temperatury stagnacji.

Wyższa czy niższa?

Wpływ temperatury stagnacji na możliwość przegrzewania czynnika grzewczego i elementów instalacji solarnej pozornie istnieje. Jednak od razu należy zaznaczyć, że jest to wpływ jedynie pośredni i ograniczony.
Poziom temperatury stagnacji świadczy o konstrukcji kolektora słonecznego mającej wpływ na uzyskiwane przez niego wydajności cieplne, a więc i temperatury robocze występujące podczas normalnej eksploatacji.
Jednak kwestia ochrony przed przegrzewaniem czynnika grzewczego jest uzależniona przede wszystkim od konstrukcji orurowania absorbera – zdolności do usuwania glikolu w początkowej fazie stanu stagnacji. Zagadnienie to będzie tematem drugiej części artykułu.

Produkowane obecnie kolektory słoneczne, przeznaczone do zastosowania w warunkach środkowoeuropejskich, muszą się cechować m.in. wysoką absorbcją promieniowania słonecznego i niską emisją ciepła przez pokrycie absorbera, skuteczną izolacją cieplną oraz przeszkleniem o jak najwyższej przepuszczalności promieniowania słonecznego.
Wobec tego temperatura stagnacji w kolektorach płaskich wysokiej klasy technicznej zazwyczaj uzyskuje w badaniach certyfikujących wartości rzędu 180÷220oC.
Z kolei kolektory oferowane na rynkach południowej Europy, z racji niższych wymagań technicznych dla przeszklenia, pokrycia absorbera oraz izolacji cieplnej, bardzo często odznaczają się temperaturami stagnacji na poziomie 120÷160oC (rys. 3).

Jak można zaobserwować z wykresu (rys. 3), kolektory z południa Europy cechują się niższymi temperaturami stagnacji i co za tym idzie – również niższymi sprawnościami pracy, często niższymi od kolektorów produkowanych dla rynków środkowoeuropejskich 20 lat temu (jak przykładowy kolektor płaski Ökosol z roku 1994 [2]).Solar z klasą

Temat stagnacji w instalacjach solarnych stał się przedmiotem wielu prac badawczych wykonywanych w Niemczech i w Austrii na przełomie lat 90/2000. W tym okresie nastąpił szczególnie znaczący rozwój technologiczny w zakresie pokryć absorberów (powłoki typu PVD „niebieskie”) oraz szkła. W opracowaniu austriackiego ministerstwa transportu, innowacji i technologii BMViT [3] wskazano, że rozwój technologii i poprawa właściwości materiałów, a także nowe technologie produkcji absorberów spowodowały, że obecne kolektory uzyskują wyższe temperatury – nawet do 250oC. Nie należy tego mylić z zakresem roboczym temperatur, który dalej pozostaje na poziomie zwykle do 80oC.

Nieścisłości w określaniu

Temperatura stagnacji jest wartością, którą teoretycznie można odczytać z wykresu sprawności kolektora słonecznego (rys. 2) – w miejscu, gdzie jego sprawność wynosi 0. Niejednokrotnie jednak można spotkać na rynku kolektory słoneczne, dla których występują wyraźne różnice między wartością odczytywaną z wykresu a wartością zawartą w certyfikacie Solar Keymark (określoną w ramach badań wg normy EN 12975-2).
Temperatura stagnacji może być określona według dwóch sposobów – na podstawie pomiaru charakterystyki sprawności lub na drodze ekstrapolacji pomiarów temperatury podczas testu odporności na długotrwałą ekspozycję (działanie intensywnego promieniowania słonecznego).
Najczęściej temperatura stagnacji, wynikająca z ekstrapolacji wyników pomiaru podczas długotrwałej ekspozycji kolektora słonecznego, jest niższa niż wynikająca z wykresu jego sprawności (kolektor B, rys. 4).
Wynika to m.in. z faktu większych prędkości wiatru w warunkach prowadzenia pomiarów temperatury w teście ekspozycji (2÷4 m/s), co wpływa na zwiększenie strat cieplnych kolektora słonecznego (kolektor B*, rys. 4). W niektórych przypadkach (kolektor A*, rys. 4) temperatura stagnacji określona z pomiarów w teście ekspozycji może być wyższa od określanej z charakterystyki sprawności (A). To może sugerować, że wykres sprawności będzie miał wyższy przebieg (A*) od tego, jaki wynika z parametrów zawartych w certyfikacie Solar Keymark (świadczy to korzystnie o kolektorze słonecznym A).Solar z klasą

Jak wskazano, temperatura stagnacji, pomimo pewnych niejednoznacznych metod jej określania, świadczy o klasie kolektora słonecznego – jakich efektów pracy można się spodziewać przy jego zastosowaniu. Efektem rozwoju technologicznego w ostatnich latach stało się podwyższenie temperatur stagnacji kolektorów słonecznych.
Z kolei ich producenci wprowadzają szereg rozwiązań technicznych, które mają na celu skuteczną ochronę przed negatywnymi skutkami nadmiernych przegrzewów.

W następnym artykule poruszona zostanie kwestia powiązania z tematem ochrony instalacji solarnej przed przegrzewaniem.

Ireneusz Jeleń

Literatura:

[1] Quality Assurance in solar thermal heating and cooling technology – Summary report Stagnation temperature. ÖFPZ Arsenal GmbH – Austrian Institute of Technology, 2012.

[2] Temperatura stagnacji a sprawność kolektora słonecznego – hewalex.pl.

[3] Forschungs Agenda Solarthermie, austriackie Ministerstwo Transportu, Innowacji Technologii (bmvit), 2010.

Rys. 1. Temperatura stagnacji kolektora słonecznego – warunki określania.
Rys. 2. Krzywe sprawności przykładowych kolektorów słonecznych płaskich i próżniowych o różnych temperaturach stagnacji i różnych sprawnościach optycznych.
Rys. 3. Porównanie krzywych sprawności płaskich kolektorów słonecznych: KS2000 TLP (prod. Hewalex 2014, temp. stagnacji 219oC), dla porównania kolektor „stary” Ökosol (prod. Hewalex 1994 dla rynku austriackiego, temp. stagnacji 150oC) oraz kolektory słoneczne oferowane w krajach południowej Europy (wszystkie dane według danych z certyfikatów Solar Keymark, dla 1000 W/m2, dane dla kolektora Ökosol z badań w Instytucie Arsenal w Austrii 1994/1995).
Rys. 4. Wykres sprawności kolektorów płaskich A i B według danych z certyfikatów Solar Keymark. Temperatura stagnacji wg danych z certyfikatów Solar Keymark: kolektor A = 211oC, kolektor B = 128oC.

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