Možnosti zvýšenia výkonu slnečných kolektorov

Energetické hodnotenie systémov na báze obnoviteľných zdrojov energie podlieha metodikám odporúčaných európskych noriem, v ktorých sa výpočet účinností odlišuje vzhľadom na druh obnoviteľnej energie. Aké sú možnosti zvyšovania výkonu slnečného energetického systému (SES) z hľadiska použitia otáčacieho zariadenia, resp. zariadenia na sledovanie slnka po oblohe? Pokúsime sa odpovedať na túto otázku a zároveň sledovať cieľ zvyšovania tepelnej účinnosti SES, a teda aj jeho výkonu, ktorý je podmienkou výraznejších úspor energie a návratnosti systému.

 Analýza vplyvu otáčacieho zariadenia slnečných kolektorov predstavuje prepočty parametrov zložiek intenzít slnečného žiarenia meraných na horizontálnu plochu k rozlične nakloneným rovinám, resp. pohyblivým rovinám, ktoré sledujú pohyb slnka – či už v horizontálnom smere, vertikálnom smere, alebo v ich kombinácii [1]. Na porovnanie zmeny relatívneho výkonu vplyvom otáčania sa použil najbežnejší systém – stacionárna naklonená rovina s uhlom 45°. Na účely výpočtov sa ráta s referenčným plochým kolektorom s plochou apertúry 1 m². Vo výpočte sa využili klimatické údaje, ktoré sa experimentálne merali na Dánskej technickej univerzite v rokoch 1990 až 2011 [4]. Z hľadiska intenzity slnečného žiarenia bol v rámci týchto meraní najpriaznivejší rok 2009, ktorý sa použil na účely analýzy vplyvu otáčania referenčnej plochy kolektora na preukázanie zvýšenia výkonu tohto zariadenia.

Výpočty na stanovenie parametrov SES
V rámci výpočtov sa zisťoval získaný výkon z 1 m² slnečného kolektora Q, ktorý sa vypočíta podľa vyjadrenia účinnosti slnečného kolektora η pri všetkých uhloch dopadu [2] podľa týchto vzorcov:

η = η₀ . k_θ – a1 . (θ_m – θ_a)/Gt – a2 .
       . (θm – θa)2/Gt  (–)    (1)
k_θ = 1 – tgp . (θ/2)  (–)     (2)

Q = η₀ . k_θ . G_b + η₀ . k_θ (60°) . G_d – a₁ .
       . (θ_m – θ_a) – a₂ . (θ_m – θ_a)²  (kWh)     (3)
kde    η0    je    faktor optickej účinnosti kolektora vyjadrený nulovým rozdielom medzi θm a θa,
    k_θ    –    modifikátor uhla dopadu pri pria­mom slnečnom žiarení,
    k_θ (60°)    –    modifikátor uhla dopadu pri difúznom slnečnom žiarení,
    G_t, G_b, G_d    –    celkové, priame a difúzne slnečné žiarenie (W/m²),
    a₁    –    koeficient tepelnej straty kolektora vztiahnutý na jeho apertúrnu plochu (W/(m² . K)),
    a₂    –    teplotná závislosť koeficienta tepelnej straty vztiahnutá na apertúrnu plochu (W/(m² . K²)),
    θ_m    –    stredná teplota teplonosnej látky v slnečných kolektoroch (°C),
    θ_a    –    okolitá teplota vonkajšieho vzdu­chu (°C).

Merala sa intenzita slnečného žiarenia dopadajúceho na horizontálnu plochu. Na účely výpočtu tepelného výkonu slnečného kolektora na stanovenie hodnoty intenzity slnečného žiarenia, ktorá dopadá na slnečný kolektor, sa muselo vypočítať aj niekoľko ďalších odlišných parametrov ako deklinácia, solárny čas a výška, azimutový uhol slnka a uhol dopadu [2], [3].

Účinnosť slnečného kolektora, ktorá sa v tom­to prípade stanovila výpočtom, sa inak zisťuje z certifikátu slnečného kolektora (Solar Keymark), ktorý vydáva certifikovaný skúšobný ústav podľa postupov stanovených v norme STN EN 12975-2 [6].

Analýza výsledkov
Na analýzu sa použil najpriaznivejší rok z hľadiska globálneho slnečného žiarenia (rok 2009 [4], [5]), a to podľa údajov z experimentálnych meraní na Dánskej technickej univerzite. V danom roku sa vypočítali parametre ročného tepelného výkonu a relatívneho výkonu vzhľadom na stacionárny (nepohyblivý) slnečný kolektor so stálym sklonom 45°, intenzitu slnečného žiarenia na plochu slnečného kolektora a využitie slnečného žiarenia.

Parametre referenčného slnečného kolektora sú uvedené v tab. 1. Počítalo sa s otáčaním slnečných kolektorov v horizontálnom smere (horizontálne sledovanie slnka počas dňa), vo vertikálnom smere (vertikálne otáčanie a sledovanie slnka podľa jeho výšky na oblohe počas roka) a vo vertikálno-horizontálnom smere. Na porovnanie tepelného výkonu sa počítali aj hodnoty pre stacionárny slnečný kolektor, ktoré sú uvedené na obr. 1. Výsledky pri jednotlivých typoch sledovania slnka (otáčania) a pri stacionárnom kolektore sú uvedené na obr. 2 až 5 a v tab. 1.

Obr. 1  Mesačné hodnoty tepelného výkonu na 1 m² referenčného slnečného kolektora v závislosti od okolitej teploty vzduchu a intenzity jednotlivých zložiek slnečného žiarenia na horizontálnu rovinu a naklonenú rovinu kolektora

Obr. 2  Mesačné hodnoty tepelného výkonu na 1 m² referenčného slnečného kolektora v závislosti od typu otáčacieho zariadenia slnečného kolektora

Obr. 3  Mesačné hodnoty priameho slnečného žiarenia na 1 m² referenčného slnečného kolektora v závislosti od typu otáčacieho zariadenia slnečného kolektora

Obr. 4  Mesačné hodnoty difúzneho slnečného žiarenia na 1 m² referenčného slnečného kolektora v závislosti od typu natáčacieho zariadenia slnečného kolektora.

Obr. 5  Mesačné hodnoty celkového slnečného žiarenia na 1 m² referenčného slnečného kolektora v závislosti od typu otáčacieho zariadenia slnečného kolektora

Záver
Z tab. 1 je zrejmé, že otáčacie zariadenia zvyšujú výkon celého slnečného energetického systému. Z hľadiska relatívneho výkonu je najúčinnejšie horizontálne sledovanie slnka po oblohe, a teda otáčanie slnečných kolektorov počas dňa. Podľa uvedených výpočtov sa horizontálnym sledovaním slnka zvýšil výkon SES až o 52 %. Vertikálne sledovanie slnka nemá výrazný vplyv na zvyšovanie výkonu SES. Pri výlučne vertikálnom sledovaní slnka sa výkon SES zvýši iba o 2 %, čo predstavuje zanedbateľnú hodnotu. V prípade, keď sa kombinovalo horizontálne a vertikálne sledovanie slnka, teda denné horizontálne otáčanie a sezónne vertikálne otáčanie a sledovanie slnka, sa však výkon zvýšil až o 64 %.

Ing. Lukáš Skalík
Autor pôsobí na Katedre technických zariadení budov Stavebnej fakulty STU v Bratislave.
Recenzovala: doc. Ing. Otília Lulkovičová, PhD.
Foto a obrázky: autor, Richard Skalík
(firma Schener)

Kolektory na fotografiách sú inštalované v Rakúsku (24 ks kolektorov SCHENER RS10 zapojených systémom Tichelmann s natáčacím zariadením) a slúžia na prípravu teplej vody, prikurovanie a ohrev vody v bazéne.

Literatúra
1.    Braun, J. E. – Mitchell, J. C.: Solar Geometry for Fixed and Tracking Surfaces. Solar Energy 1983, roč. 31, č. 5, s. 439 – 444.
2.    Duffie, J. A. – Beckman, W. A.: Solar Engineering of Thermal Process. Chichester: John Wiley & Sons, Inc., 2006.
3.    Andersen, E.: Thermal Performance of Stationary Solar Collectors and Solar Collectors on Trackers
– User Manual. DTU Civil Engineering,
Report SR-10-01 (UK), Technical Report. 2010.
4.    Skalík, L. – Furbo, S. – Dragsted, J. – Chen, Z. – Perers, B.: Longterm Weather Data Measurements from Danish Climate Station. In: 30th ISES Biennial Solar World Congress 2011: Proceedings. Kassel, Germany, 28. 8. – 2. 9. 2011. Freiburg: International Solar Energy Society, 2011.
5.    Skalík, L. – Lulkovičová, O. – Perers, B. – Dragsted, J.:
    Evaluation of Long-term Global Radiation Measurements in Denmark and Sweden. In: ISES – Europe Solar Conference: Proceedings, EUROSUN 2012, Opatija, Chorvátsko, 18. – 20. september 2012. Rijeka: Croatian Solar Energy Association Rijeka, 2012.
6.    STN EN 12975-2 Tepelné solárne systémy a komponenty. Solárne kolektory. Časť 2: Skúšobné metódy.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.