logo  

Strona poświęcona technicznym aspektom instalacji

solarnych i nie tylko

 

 

Niekończący się spór, płaski czy próżniowy

 

 

W wielu publikacjach trwa niekończący się spór o wyższości jednego kolektora nad drugim, gdzie raz przedstawiane są jako lepsze kolektory płaskie, gdzie indziej lepszymi okazują się kolektory próżniowe. Doszło już do tego, że osoby chcące zamontować u siebie kolektory po przeczytaniu wielu publikacji rozkładają bezradnie ręce bo przeczytane informacje są sprzeczne. W niniejszej publikacji nie będziemy rozpatrywali wyższości jednego nad drugim bo to wynika z budowy ale wskażemy na co zwracać uwagę przy wyborze kolektorów.

Pierwszą rzeczą z jaką trzeba się zaznajomić to wewnętrzna budowa kolektora słonecznego. Płaskie kolektory zbudowane są inaczej, próżniowe nie co się różnią od płaskich choć są też takie próżniowe przypominające płaskie. W Polsce są obecnie najbardziej popularne takie kolektory jak:
Płaskie - bez wnikania w szczegóły czy przepływ jest harfowy czy meandryczny
Próżniowy o rurze dwuściennej i  przepływie bezpośrednim tak zwana u-rurka z lustrem płaskim i parabolicznym
Próżniowy heat pipe o rurze dwuściennej ( gorąca rurka ) w których lustro występuje raczej w kolektorach zachodnich producentów.
Próżniowy o pojedynczej rurze i płaskim listku absorbera
Postaram się wykazać jak bardzo złudnym jest spojrzenie tylko na parametry techniczne kolektora bez znajomości jego wewnętrznej budowy, szczególnie w porównaniach kolektorów płaskich w stosunku do próżniowych. Norma techniczna opisująca sposób badań kolektora słonecznego została zastosowana do kolektorów płaskich jak i próżniowych Sposób wyznaczania podstawowych parametrów technicznych wypływa wprost z tej normy. Ale jednak okazuje się, że inaczej trzeba spojrzeć na sprawność kolektora próżniowego i inaczej na sprawność kolektora płaskiego. Choć wydaje się, że to ten sam parametr. Przede wszystkim trzeba wyraźnie zaznaczyć, że sprawność ta rzeczywista jest odniesiona w stosunku do powierzchni apertury (czynnej), sprawność w stosunku do powierzchni absorbera nie powinna być nigdzie wykazywana. Bo okazuje się, że kolektor płaski jak i próżniowy o rurze jednościennej z płaskim listkiem absorbera powierzchnie apertury (czynną) mają prawie taką samą jak powierzchnię absorbera, natomiast pozostałe kolektory próżniowe o rurze dwuściennej powierzchnie absorbera mają wielokrotnie większą od powierzchni apertury (czynnej) choć większość tej powierzchni nie bierze udziału w zamianie promieniowania w ciepło z uwagi na to, że jest pod spodem tej rury. A ponieważ sprawność jest w stosunku do powierzchni to ta dla absorbera jest dla kolektorów próżniowych o rurach dwuściennych bardzo niska i nic nie mówiąca.
Trzeba tu powiedzieć jeszcze o jednym parametrze technicznym jaki jest podawany jako kluczowy to maksymalna moc kolektora zmierzona przy promieniowaniu słonecznym o wartości 1000W/m2 i zerowej różnicy temperatur między kolektorem a otoczeniem, gdzie promieniowanie to pada pod kątem prostym ( prostopadłym ) na absorber. W tym miejscu zaczynają się pojawiać chętnie wykorzystywane różnice, bo kolektor płaski ma tą wartość na poziomie 1500W a próżniowy o podobnych gabarytach zewnętrznych na poziomie 800W.
Wydawać by się mogło na pierwszy rzut oka, ze płaski jest o wiele lepszym kolektorem bo jego maksymalna moc jest o wiele większa co wynika wprost z odczytanej liczby. Nic bardziej złudnego dla tego, że tą moc musimy odnieść do powierzchni z której to ciepło odzyskujemy a więc w stosunku do powierzchni apertury. Po przeliczeniu okazuje się, że te kolektory ( płaski i próżniowy ) mają tą samą moc maksymalną dla takich samych powierzchni. A więc jeżeli porównujemy parametry kolektorów to nie sztuka do sztuki a do takiej samej powierzchni.
Np. kolektor płaski ma powierzchnię apertury 1,851m2 i maksymalną moc 1459W oraz
Kolektor próżniowy ma powierzchnię apertury 1,014 m2 i maksymalną moc 791W.
Jeżeli układem odniesienia będzie 1m2 powierzchni apertury to płaski z tej powierzchni da nam 788W a próżniowy 780W, gdzie płaski ma sprawność na poziomie 0,788 a próżniowy 0,780. Proszę zwrócić uwagę, że moc maksymalna odniesiona w stosunku do jednego metra powierzchni apertury wyznacza nam w sposób bezpośredni sprawność kolektora. Powstaje tu pytanie czy możemy w ten sposób porównywać kolektory? Twierdząco można powiedzieć, że tak ale tylko kolektory płaskie w stosunku do siebie i tylko kolektory próżniowe też w stosunku do siebie. Natomiast tym sposobem nie możemy porównywać kolektorów płaskich do kolektorów próżniowych. A to dla tego, że inne osiągi będzie miał kolektor próżniowy z rurą dwuścienną, inne z rurą jednościenną a całkiem inne płaski jeżeli będziemy patrzeli na uzyski tych kolektorów w przeciągu całego dnia ekspozycji. W tym momencie trzeba zwrócić uwagę jak pracują kolektory te płaskie jak i próżniowe przy zmiennym kącie padania. Bardziej nas interesuje jaki efekt przyniosą nam kolektory w ciągu dnia, niż tylko przy promieniowaniu prostopadłym, bo tylko przy tym kącie wyznacza się osiągi kolektora w laboratorium. Dla porównania przyjmijmy kolektory słoneczne polskich producentów.

  1. Kolektor płaski ma powierzchnię apertury 1,87m2, moc maksymalną 1568W oraz sprawność 83,8%
  2. Kolektor próżniowy z rurą dwuścienną o przepływie bezpośrednim tak zwana u rurka ma powierzchnię apertury 1,142 m2, moc maksymalną 872W oraz sprawność 76,3%
  3. Kolektor próżniowy z rurą dwuścienną heat pipe ma powierzchnię apertury 1,408 m2, moc maksymalną 899W oraz sprawność 63,8%
  4. Kolektor próżniowy z pojedynczą rurą i listkiem absorbera ma powierzchnię apertury 1,014 m2, moc maksymalną 791W oraz sprawność 78%

W zestawieniu powyżej widać wyraźnie, że kolektor płaski ma największą moc oraz sprawność też największą. Jednak wszystkie te kolektory różnią się od siebie powierzchnią. Aby porównać je do siebie trzeba wszystkie wartości odnieść do takiej samej powierzchni
1 m2. Rysunek 1 poniżej przedstawia przeliczone już wartości do powierzchni 1 m2 a strzałką zaznaczono kierunek padania promieni słonecznych.

padanie

Rys. 1

Po przeliczeniu wartości mocy odzyskanej z wartości promieniowania( W/ m2 )  w stosunku do jednolitej powierzchni widać powoli jaki typ kolektora przy maksymalnym promieniowaniu da nam najwięcej ciepła. W tym miejscu należy stanowczo podkreślić, że firmy produkujące kolektory słoneczne posługują się takimi wartościami, bowiem w ten sposób laboratoria wyznaczają podstawowe wartości uzysku energetycznego i sprawności. Na bazie tych wartości gdzie promieniowanie słoneczne pada na kolektor prostopadle bardzo często firmy układają tabele udowadniając, że ich kolektor jest lepszy od innych. I tu  przoduje kolektor płaski oraz próżniowy z płaskim listkiem absorbera.
Gdyby słońce padało tylko prostopadle na kolektor w tym miejscu można by postawić kropkę jak robi to wiele firm. 
Ale ponieważ na kolektory promieniowanie pada jednak pod różnym kątem to trzeba się przyjrzeć jak zmienia się wartość mocy kolektora w zależności od kąta padania, lecz takich porównań próżno szukać, bo zmienia się to w sposób diametralny i wywraca to wizerunek wielu firm. Dla porównania przyjmijmy, że będzie to kąt 60 stopni (rys.2).

padanie 2

Rys.2

Widać wyraźnie, że przy zmianie kąta również zmienia się wartość maksymalnej mocy dla kolektorów o płaskich absorberach.
Natomiast dwa środkowe kolektory nie zmienią tej mocy w dużym zakresie kątów ( -80o do +80o ) ze względu na kształt absorbera jako walca, tam kąt padania jest zawsze prostopadły.
Obliczając dalej zmieńmy kąt padania do 30 stopni. Wartości mocy uzyskiwanej przez kolektory przyjmą postać:

padanie 2

Rys 3

Widać wyraźnie, że kolektory o płaskich absorberach wraz ze zmianą kata padania tracą znacznie na uzyskiwanych mocach, w stosunku do kolektorów o absorberach w kształcie walca. Wykonajmy jeszcze jedno obliczenie dla skrajnych kątów padania a więc takich gdzie jeszcze rury kolektorów próżniowych nie będą się zasłaniać. A będzie to kąt padania promieni wynoszący 20 stopni. Wartości przyjmą postać:

padanie 3

Rys.4

W zasadzie jest to kąt graniczny padania na kolektory bo przy niższym kącie już jedna rura zaczyna zacieniać drugą, natomiast w kolektorze płaskim rama kolektora też zaczyna rzucać cień na absorber. Tu już wyraźnie  widać, że przez prawie cały dzień kolektory próżniowe o dwuściennej budowie rur będą pracowały z maksymalną swoją mocą, czego nie można powiedzieć o kolektorze płaskim i co zaskakujące kolektorze próżniowym z płaskim listkiem absorbera. Po mimo, że ostatni kolektor jest próżniowy to przy obliczeniach uzysków energetycznych traktujemy go praktycznie jak płaski , jednak o bardzo niewielkich stratach ciepła ze względu na próżnie.
Od wielu lat w wielu publikacjach panuje mit na temat porównania kolektorów płaskich i próżniowych polegający na tym, że kolektory płaskie latem są lepsze, bardziej wydajne.
Z przedstawionych powyżej zestawień wyraźnie widać, że nie jest to prawdą. Można mieć takie jednak wrażenie jeżeli porówna się do siebie cały kolektor płaski do całego kolektora próżniowego. Ale w takich porównaniach nie bierze się pod uwagę podstawowego faktu, że powierzchnie apertury tych kolektorów są bardzo różne gdzie  kolektor płaski tą powierzchnie ma wielokrotnie większą. Co za tym idzie wytwarzana wielokrotnie większa część energii dla prostopadłego kąta padania. (rys 1).
Aby pogląd pełen i bardziej przejrzysty trzeba zadać sobie trud i wykreślić dla każdego z typów kolektora wykres ilości energii jaką możemy uzyskać w przeciągu dnia. Dla tego, że ta informacja jest przecież dla nas najważniejsza. Tu trzeba również założyć, że nasz dzień referencyjny (to taki do którego będziemy odnosili wcześniej obliczone wyniki) będzie miał 12 efektywnych godzin i będzie to dzień w pełni słoneczny a wszystkie kolektory są pochylone w stosunku do ziemi pod kątem 45o. Przyjmijmy również dla ułatwienia, że przez te 12 godzin wartość promieniowania będzie na poziomie 1000W/ m2.
Rysunek 5 przedstawia ilość energii uzyskanej z każdego z tych kolektorów w przeciągu naszego dnia z takiej samej powierzchni kolektora, gdzie wcześniej ustaliliśmy, że będzie to
1 m2 powierzchni apertury.


Rys.5

Z powyższego rysunku po woli wyłania się obraz porównania tych czterech kolektorów. Jednak uważny czytelnik tak prezentowane porównania może uznać je za nie pełne z uwagi na to, że słońce "wędrując" po nieboskłonie wędruje w dwóch płaszczyznach, a do porównań przyjęliśmy tylko jedną płaszczyznę.  Celowo nie ująłem w porównaniu drugiej, pionowej płaszczyzny ze względu na to, że wraz ze zmianą kąta padania w tej płaszczyźnie wszystkie porównywane kolektory zmniejszają swoją moc w jednakowym stopniu.  A więc skoro wszystkie bez wyjątku porównywane kolektory zmieniają swe parametry w ten sam sposób to nie ma sensu do porównań tego wykazywać, bo to nie zmieni charakteru porównania a skomplikuje zrozumienie zjawiska.
Mając do dyspozycji takie dane jak maksymalną moc kolektora oraz jego sprawność właśnie do takich wniosków dojdziemy. Jednak są to wyniki dalekie jeszcze od rzeczywistych z uwagi na to, że są to maksymalne wyniki laboratoryjne, które nie obejmują faktu, że kolektor pracuje w całej gamie zmiennych kątów padania, zmiennych temperatur zewnętrznych oraz czynnik tłoczony przez kolektor też osiąga różne temperatury zmieniające się w miarę nagrzewania. W tym miejscu aby urzeczywistnić wyniki porównania trzeba również uwzględnić straty ciepła które to w kolektorze płaskim będą większe niż w kolektorach próżniowych. Aby nie komplikować zbytnio porównań odniosę się również do dnia referencyjnego, który trwa 12 godzin oraz temp. na zewnątrz (też referencyjna) wynosi 5 stopni Celsjusza. Oczywiście będzie to dzień całkowicie bezchmurny. Do porównań wprowadzamy teraz zmienność kąta padania w dwóch płaszczyznach. Wykresy dla poszczególnych kolektorów (rys.6) przedstawiają się następująco:

1234

      4,15 kWh                        6 kWh                      4,89 kWh                    4,48 kWh

rys.6

Pod wykresami umieszczono ilość energii, którą to możemy uzyskać z poszczególnych kolektorów. Proszę jednak nie traktować tych wyników jako skali porównawczej dla całkowitych warunków rzeczywistych a jedynie jako skalę porównawczą między  różnymi typami kolektorów występujących na naszym rynku. Inaczej wykresy i wartości liczbowe będą wyglądać w okresie zimowym a inaczej w letnim. Kształty wykresów przyjmą całkiem inny obraz jeżeli do kolektorów podłączymy instalacje w której będzie krążył czynnik chłodniczy o coraz to innej temperaturze.  Inne wartości również będą gdy kolektory umieścimy pod różnymi kątami tak jak to ma miejsce na dachach o różnym pochyleniu.
W kolektorach próżniowych o rurze dwuściennej można jeszcze  poprawić osiągi uzysku energetycznego przez zastosowanie lustra płaskiego, czy parabolicznego. Ponieważ lustro spowoduje, to że promieniowanie padające między rurami zostanie odbite od niego i skierowane na zacienioną spodnią część rury dostarczając część energii. Zastosowanie lustra płaskiego spowoduje zwiększenie o około 15% więcej energii uzyskiwanej z kolektora, paraboliczne natomiast zwiększy nam tą energię o około 40% w stosunku do takich samych kolektorów bez luster. W skrajnym przypadku można wykonać jedno duże lustro paraboliczne i w ognisku tego lustra umieścić tylko jedną rurę. Wykonuje się też takie kolektory ale na naszym rynku są one nie stosowane.

 

Ciąg dalszy nastąpi.

 

powrót