Analiza możliwości porównania wyników badań sprawności cieplnej kolektorów słonecznych w kontekście wymagań przetargowych

Zgodnie z obowiązującą normą PNEN– 12975–2. Cieplne instalacje słoneczne i ich elementy. – Kolektory słoneczne – Część 2: Metody badań instytucje posiadające stosowną akredytację prowadzą badania sprawności cieplnej kolektorów słonecznych. Badania kolektorów słonecznych prowadzone są w warunkach laboratoryjnych poprzez sztuczne naświetlanie (rys. 1) lub też kolektory poddawane są bezpośrednio działaniu promieniowania słonecznego (rys. 2).

Czy można porównywać wyniki badań przeprowadzonych przez poszczególne instytucje, skoro badania prowadzone są w różnych warunkach a również lokalizacja akredytowanych laboratoriów jest inna? W wielu przetargach publicznych znaleźć można formułkę: zastosować należy kolektor słoneczny o sprawności optycznej co najmniej ….% oraz współczynnikach …itd. albo kolektor równoważny, jak więc zapewnić tą równoważność? Czy 80% sprawności optycznej uzyskane w Instytucie X jest równoznaczne z uzyskaniem 80% w Instytucie Y?

Spektrum promieniowania słonecznego a wydajność kolektora słonecznego

Promieniowanie słoneczne dociera do powierzchni Ziemi w postaci strumienia światła o różnej długości fali. Jak kształtuje się natężenie spektrum promieniowania słonecznego w stosunku do spektrum uzyskanego przez naświetlanie reflektorem (lampą) podczerwieni pokazano poniżej (rys. 3): Widać zdecydowaną różnicę w skali promieniowania oraz długości fal. Aby oddać za pomocą lamp w laboratorium rzeczywiste spektrum promieniowania słonecznego należy uzyskać charakterystyki zbliżone (porównywalne). W przypadku laboratoriów badawczych, które wykorzystują warunki naturalne pewną rolę w wyniku badań odgrywać może lokalizacja. Dla wybranych laboratoriów europejskich (Hameln, Stuttgart, Raperswil i Madryt) zestawiono poniżej dane dotyczące wielkości promieniowania słonecznego, udziału promieniowania rozproszonego w promieniowaniu całkowitym, średnich temperatur otoczenia np.

Laboratoria znajdujące się w Europie Środkowej (Hameln, Stuttgart, Raperswil) charakteryzują się zbliżonym udziałem promieniowania rozproszonego w promieniowaniu całkowitym oraz podobną wartością średniej dziennej temperatury otoczenia. Laboratorium w Madrycie znacznie od tej wartości odbiega. Jeśli chodzi o wartości natężenia promieniowania słonecznego, jakim „dysponują” poszczególne instytuty to wartości są zróżnicowane.

Wywnioskować z tego można, że skoro warunki klimatyczne badań kolektorów słonecznych są różne w poszczególnych instytucjach to różnić się również mogą wyniki badań sprawności cieplnej kolektorów słonecznych. Innymi słowy kolektory, które zostały przebadane np. w Hameln i uzyskały przedstawione poniżej (rys. 4) charakterystyki niekoniecznie muszą uzyskać identyczne krzywe w trakcie badań w R aperswil albo Madrycie. Nie oznacza to jednak, że można od razu stawiać pod znakiem zapytania wyniki tych badań.

W trakcie badań kolektorów słonecznych z wykorzystaniem warunków naturalnych badaczom nie można zarzucić jednej podstawowej właściwości badań: wykorzystuje się naturalne promieniowanie słoneczne a nie dokonuje się symulacji promieniowania słonecznego (np. lampami), a więc wynik badań w postaci krzywej sprawności cieplnej kolektora słonecznego jest uzyskany w trakcie działania naturalnego promieniowania słonecznego. W przypadku badań światłem sztucznym może dochodzić do przekłamania wyników w efekcie braku możliwości pełnego odwzorowania spektrum promieniowania słonecznego. Dlatego część laboratoriów wykonuje badania porównawcze w celu określenia korelacji wyników badań światłem naturalnym (słonecznym) oraz sztucznym (lampy). Pozwala im to, po wykonaniu badań światłem sztucznym, na prognozowanie wyników badań promieniowaniem słonecznym. Laboratoria, które takich badań nie przeprowadziły wyraźnie zaznaczają w wynikach swoich badań, że krzywą sprawności cieplnej uzyskano na symulatorze. Nawet jeśli laboratorium posiada oba rodzaje stanowisk badawczych zobowiązane jest do sprecyzowania na jakim stanowisku krzywą sprawności cieplnej uzyskano.

Charakterystyka sprawności cieplnej kolektorów słonecznych

Podczas badań kolektorów słonecznych w akredytowanych laboratoriach, przy założeniu przepływu masowego medium roboczego podanego przez producenta kolektorów (laboratoria najczęściej korzystają z medium roboczego w postaci wody lub mieszaniny wody z glikolem o określonym stężeniu) przeprowadza się badania w trakcie nasłoneczniania kolektorów strumieniem światła o wartości promieniowania określonej w normie. Efektem jest krzywa sprawności cieplnej, drugiego stopnia, określona równaniem:

η = ηo – k1 * (ΔT/N) – k2 * (ΔT/N)

gdzie: ηo – współczynnik konwersji, sprawność optyczna. k1, k2 – liniowy i kwadratowy składnik współczynnika przewodności cieplnej, ΔT – różnica temperatur pomiędzy średnią temperaturą medium roboczego a otoczeniem, N – natężenie promieniowania słonecznego. Współczynnik konwersji ηo jest sprawnością kolektora uzyskiwaną w przypadku, gdy różnica temperatur ΔT = 0. Współczynnik ten określany jest zależnością: ηo = τ • α gdzie: τ – współczynnik transmisji (dotyczy odcinka od kontaktu z szybą kolektora do absorbera), α – współczynnik absorpcji (dotyczy blachy absorbera).

Dla określenia jakie realne wartości sprawności optycznej ηo winny być osiągane przez płaskie kolektory słoneczne, określić należy wartości współczynników transmisji τ oraz absorpcji τ. Współczynnik transmisji szyby solarnej określany jest w trakcie badań opisanych stosowną normą, podstawą jest wykres (rys. 5). W zależności od jakości szyby solarnej uzyskuje się zróżnicowane wartości współczynnika transmisji. Szyby solarne określane są klasami jakości U1(Z1) do U4(Z4) lub X1 do X4. Zależy to od sposobu obróbki szyby solarnej. O ile szyby o oznaczeniu U nie są dodatkowo przygotowywane, to szyby o oznaczeniu Z oraz X są szybami specjalnymi posiadającymi dodatkowe powłoki. Uzyskuje się w nich np. odporność na zanieczyszczenie, a szyby o oznaczeniu X są szybami posiadającymi powłoki antyrefleksyjne (po jednej lub obu stronach szyby) (rys. 6).

Zastosowanie szyby antyrefleksyjnej pozwala więc na zwiększenie sprawności cieplnej kolektorów słonecznych. Współczynnik absorpcji α powłoki absorbera ustalany jest również w trakcie badań i wynosi on przykładowo dla powłoki selektywnej eta plus na podłożu z blachy miedzianej α = 0,943 oraz dla powłoki eta plus na podłożu z blachy aluminiowej α = 0,944 (badania Instytutu Fraunhofera we Freiburgu, zakres długości fali promieniowania 0,33 do 17μm) – rys. 7. Oznacza to teoretycznie, możliwość osiągnięcia przez kolektor słoneczny wyposażony w szybę antyrefleksyjną o współczynniku transmisji τ = 0,958 i w absorber z powłoką eta plus sprawności optycznej ηo = 0,904. Ten sam kolektor bez szyby antyreflesyjnej nie będzie w stanie uzyskać teoretycznie sprawności optycznej wyższej niż 0,86. Zwrócić jednak należy uwagę, że w przypadku blachy absorbera badane są nienaruszone płytki o wymiarze 50 x 50 mm. Co oznacza pojęcie nienaruszone? Oznacza nie połączone z rurkami przepływowymi absorbera a więc nie poddane np. lutowaniu lub zgrzewaniu ultradźwiękami. Nie bada się jak kształtuje się wartość współczynnika absorpcji blachy pokrytej powłoką po połączeniu blachy z rurkami przepływowymi a następnie, gdy przez te rurki płynie ciecz robocza, tak jak to ma miejsce w kolektorze słonecznym. Gdyby te procesy nie miały wpływu na wynik badań sprawności cieplnej sprawność optyczna nie powinna się zmieniać np. przy zmianie przepływu medium w kolektorach słonecznych. Dla fachowców z branży nie jest tajemnicą, że w laboratoriach badawczych kolektorów słonecznych zamówić można badania polegające na określeniu przy jakiej wartości przepływu uzyska się najlepszą sprawność kolektora! Charakterystyczne są też różnice w zakresach długości fal w trakcie badań szkła solarnego oraz powłoki selektywnej co może rodzić pytanie, czy wartości tak uzyskanych wartości współczynników τ oraz α można mnożyć w celu określenia realnej wartości sprawności optycznej kolektorów?

Podsumowanie

W artykule przedstawiono zagadnienia związane ze sposobami określania charakterystyki sprawności cieplnej kolektorów słonecznych w celu zasygnalizowania konieczności wprowadzenia do nomenklatury wymagań przetargów publicznych jednolitego pojęcia kolektora równoważnego. Pojęcie to winno być wprowadzone celem uzyskania wymogu bezstronności wyboru kolektora słonecznego, który uzyska dofinansowanie ze środków publicznych lub środków Unii Europejskiej. Brak tego pojęcia doprowadził do niepotrzebnego zamieszania w trakcie przeprowadzania procedury wyboru zwycięzcy kilku przetargów publicznych i skierowania do prokuratury wniosków o ściganie winnych nieprawidłowości.

Jerzy Chodura