Porównywanie krzywych sprawności kolektorów słonecznych. Słońce nad solarem

Współczynniki określające przebieg krzywej sprawności stanowią często kryterium decydujące o wyborze kolektora słonecznego w procedurze przetargów publicznych, podczas porównywania sprawności przy zakupie kolektorów przez indywidualnych użytkowników, przy tworzeniu list rankingowych kolektorów itd. Zachodzi pytanie, czy możliwe jest bezpośrednie porównywanie krzywych sprawności i jakie warunki muszą być spełnione, aby porównanie było obiektywne?

Krzywe sprawności kolektorów słonecznych (sprawność optyczna η0 oraz liniowy a1 i kwadratowy a2 współczynnik strat cieplnych) wyznaczane są w trakcie testów przeprowadzanych na podstawie normy PN-EN 12975-2:2006: „Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy – Kolektory słoneczne – Część 2: Metody badań w akredytowanych instytucjach badawczych”. Podsumowanie wyników podane jest w sprawozdaniu z badań oraz następnie w aneksie do certyfikatu Solar Keymark. W aneksie tym (przykład pokazano w tabeli 1, nazwę kolektora usunięto dla uniknięcia zarzutu reklamy) na stronie pierwszej zawarte są między innymi wartości wyżej wymienionych współczynników krzywej sprawności (odniesione do powierzchni apertury, stąd dodatkowy znaczek a), temperatura stagnacji kolektora słonecznego, moc kolektora przy natężeniu promieniowania słonecznego 1000 W/m2 dla wybranych wartości (0, 10, 30, 50, 70 K) różnicy temperatur pomiędzy temperaturą medium roboczego Tm a temperaturą otoczenia Ta.

Tab. 1. Zestawienie wybranych parametrów kolektorów słonecznych z wybranego dokumentu SolarKeymark.

U dołu aneksu można z kolei znaleźć dane opisujące parametry, jakie panowały podczas badań (przykład w tabeli 2, usunięto dane dotyczące laboratorium badawczego). Podane są daty wykonania testów (16.11.2006 r., 23.11.2006 r., 12.02.2007 r.) oraz metoda badań (outdoor – oznacza wykonanie badań przy naturalnym słońcu), medium robocze wykorzystane w badaniach (w tym przypadku woda), jednostkowy przepływ masowy w trakcie badań (0,020 kg/s * m2), natężenie promieniowania (1000 W/m2), temperatura otoczenia (30oC).

Tab. 2. Zestawienie danych laboratorium badawczego oraz parametrów badań z wybranego dokumentu SolarKeymark.

Należy w tym miejscu zwrócić uwagę na brak informacji o lokalizacji laboratorium badawczego. Nie należy przyjmować, że jeżeli Instytucja badawcza podaje, że ma siedzibę w jakimś mieście, np. w Niemczech, to laboratorium badawcze znajduje się pod tym samym adresem!

Na drugiej stronie aneksu do certyfikatu Solar Keymark znaleźć można (przykład w tabeli 3) informacje o prognozowanym uzysku energetycznym kolektora słonecznego dla czterech wybranych lokalizacji (Ateny, Davos, Sztokholm oraz Würzburg) oraz temperatur medium roboczego (25, 50, 75oC), a także dane odnośnie lokalizacji i sposobu usytuowania kolektora w trakcie badań (zgodnie z procedurą opisaną w normie kąt nachylenia określany jest jako szerokość geograficzna minus 15o). Do obliczeń prognozowanych wartości uzysku energetycznego przyjęte zostały wartości podane w dolnej części tabelki, przy czym wartość nachylenia kolektora zaokrąglano do wartości najbardziej zbliżonej do wartości obliczanej sposobem podanym wyżej).

Tab. 3. Zestawienie rocznego uzysku cieplnego kolektora słonecznego w określonych lokalizacjach z wybranego dokumentu SolarKeymark.

Czynniki decydujące o wynikach badań

  • Powierzchnia odniesienia w ustalaniu krzywej sprawności

W normie przyjęto, że krzywą sprawności określa się w odniesieniu do powierzchni apertury kolektora słonecznego. O ile w płaskich kolektorach słonecznych instytuty badawcze zwykle nie mają problemu z jej wyznaczeniem (jest to powierzchnia prostokąta szyby, prze którą promieniowanie dostaje się do wnętrza kolektora), to w przypadku rurowych kolektorów próżniowych powstaje szereg wątpliwości [1].

  • Metoda badawcza

O tym, że wyniki badań ustalone różnymi metodami będą się różnić, nie trzeba nikogo przekonywać. Uzyskanie w wewnętrznym laboratorium badawczym nasłonecznienia identycznego do panującego na zewnątrz jest praktycznie niemożliwe do realizacji. Norma przewiduje badanie kolektorów słonecznych przy określonej wartości natężenia promieniowania słonecznego – czy wewnętrzne „sztuczne słońce” jest w stanie odwzorować w pełni naturalne promieniowanie słoneczne? Uważam, że jest to niemożliwe, albowiem w badaniach określa się wartość całkowitego nasłonecznienia, a to składa się z promieniowania bezpośredniego i rozproszonego. Czy sztuczne słońce, które jest zestawem lamp umieszczonych w niewielkiej odległości od badanych kolektorów słonecznych jest w stanie uzyskać podobny efekt jak promieniowanie słoneczne przechodzące przez warstwę atmosfery ziemskiej? Nie powinno się, moim zdaniem, porównywać krzywych sprawności uzyskanych w wewnętrznym laboratorium z tymi, które uzyskano na naturalnym słońcu. Czy w takim razie porównać można krzywe sprawności uzyskane w różnych wewnętrznych laboratoriach badawczych? Jeżeli laboratoria te wyposażone są w identyczne sztuczne słońce a wszystkie parametry badawcze są również identyczne to porównywalność jest możliwa do zaakceptowania. Należy jednak zaznaczyć, że laboratoria posiadają zwykle różne sztuczne słońca. A jak się ma sytuacja z porównywalnością wyników badań w laboratoriach wykonujących badania na naturalnym słońcu? Tych wyników również niestety nie powinno się bezpośrednio porównywać. Po pierwsze laboratoria te znajdują się na różnej szerokości geograficznej co powoduje, że kolektory są badane przy różnej wartości kąta nachylenia, równocześnie zauważyć należy, że nawet jeśli bada się kolektory przy identycznej wartości natężenia promieniowania, to udział promieniowania rozproszonego może posiadać duży wpływ na wyniki pomiarów. Dla porównania na wykresie 1 podano za [2] udział promieniowania rozproszonego dla trzech lokalizacji, w których znajdują się laboratoria badawcze.

Wykres 1. Udział promieniowania rozproszonego w promieniowaniu całkowitym dla wybranych lokalizacji.

Jak wspomniano wyżej, adres instytucji badawczej nie zawsze jest identyczny z adresem laboratorium. O dokładnej lokalizacji możemy się dowiedzieć w niedostępnym dla czytelników szczegółowym sprawozdaniu z badań, którego numer znajduje się pod test report id. number (tabela 2). Może być wówczas zaskoczeniem fakt, że instytucja mająca siedzibę w Niemczech bada kolektory w laboratorium we Włoszech.

  • Medium robocze

Laboratoria badawcze stosują zasadniczo dwa rodzaje cieczy, a mianowicie wodę lub mieszaninę wody z glikolem. Rodzaj zastosowanej cieczy ma duży wpływ na wyniki badań. Wynika to z dużej różnicy w przewodności cieplnej tych mediów. Przewodność cieplna wody wynosi 0,609 W/(m * K), glikolu etylenowego 0,258 W/(m * K), a glikolu propylenowego 0,147 W/(m * K) [3]. Mieszanina wody z glikolem posiada więc przewodność cieplną niższą od wody. Dla przykładu ciecz niezamarzająca Antifrogen N posiada przewodność cieplną 0,29 W/(m * K) przy 20oC, ciecz solarna Tyfocor LS charakteryzuje się następującą krzywą przewodności cieplnej pokazanej na wykresie 2 [4].

Wykres 2. Przewodność cieplna cieczy solarnej Tyfocor LS.

Różnice są więc znaczne i mogą odgrywać decydującą rolę w badaniach.

  • Przepływ masowy cieczy

Kolektory słoneczne badane są przy przepływie ustalonym przez producenta kolektorów słonecznych, można również zamówić w laboratorium (za dodatkową opłatą) badania dla różnych wartości przepływu, aby określić, przy jakiej wartości przepływu kolektor posiada najlepsze osiągi. Tę krzywą umieszcza się wówczas w dokumencie końcowym.

Nasuwa się oczywiście pytanie, czy kolektor słoneczny w trakcie użytkowania pracuje w tym zakresie przepływu? Tym bardziej, że często sugeruje się  potrzebę regulacji przepływu.

Podsumowanie

Porównywanie krzywych sprawności kolektorów słonecznych możliwe jest jedynie przy zachowaniu porównywalnych parametrów badań. W praktyce jest to najczęściej niemożliwe. Przedstawione w artykule wskazówki mogą pomóc w rozpoznaniu elementów, na które należy zwracać uwagę, jeżeli już na porównanie się decydujemy.

dr inż. Jerzy Chodura

Literatura:

[1] „Analiza podstawowych parametrów kolektorów słonecznych”,RI 05/2014.

[2] www.meteonorm.com

[3] www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-liquids-d_1260.html

[4] www.viessmann.com/web

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