Plochý solární kolektor je tepelný výměník určený k ohřevu kapaliny nebo plynu pomocí solární energie. Oblastí použití plochých solárních kolektorů jsou systémy vytápění obytných a průmyslových objektů, zásobování teplou vodou, ale i elektrárny s nízkovroucí pracovní kapalinou. Hlavní prvky plochého solárního kolektoru (obr. 10) jsou:
povrch, který se ohřívá v důsledku absorpce slunečního záření a předává teplo pracovní kapalině; sklo, které potlačuje tepelné ztráty sáláním; tepelná izolace a bydlení. Dokonalost kolektoru je dána jeho optickou a tepelnou účinností.
Optická účinnost ηо ukazuje, jaká část slunečního záření dopadajícího na plochu zasklení kolektoru je absorbována černým povrchem absorbujícím záření, a zohledňuje energetické ztráty spojené s absorpcí ve skle, odrazem a rozlišuje tepelný koeficient tepelného záření absorbujícího povrchu z jednoty.
Kromě těchto ztrát dochází v kolektoru libovolné konstrukce ke ztrátám tepla do okolí QHRNEC, které jsou zohledněny jeho tepelnou účinností. Tepelná účinnost se rovná poměru množství užitečného tepla Qpol odebraného z kolektoru za určitý čas k množství energie dodané mu za stejnou dobu ze Slunce.
2.8. Vakuové rozdělovače
Ploché solární kolektory mají při zvýšených teplotách relativně vysoký celkový ztrátový koeficient a nízkou tepelnou účinnost. Z tohoto důvodu se obvykle používají v systémech, kde úroveň ohřevu chladicí kapaliny nepřesahuje 50 – 80 °C. V případě požadavku ohřevu na vyšší teploty se používají vakuové kolektory. Ve vakuovém kolektoru je objem, ve kterém se nachází černá plocha pohlcující sluneční záření, oddělen od okolí evakuovaným prostorem, což umožňuje téměř zcela eliminovat tepelné ztráty do okolí tepelnou vodivostí a konvekcí.
Radiační ztráty jsou do značné míry potlačeny použitím selektivního povlaku. Vzhledem k tomu, že celkový ztrátový koeficient ve vakuovém kolektoru je malý, může se chladivo v něm ohřát na vyšší teploty (120 – 150 ◦C) než v plochém kolektoru. Obrázek 11 ukazuje příklady konstrukce vakuových rozdělovačů.
2.9. Selektivní nátěry
Účinnost instalací solární energie do značné míry závisí na optických vlastnostech povrchu, který pohlcuje sluneční záření. Pro minimalizaci energetických ztrát je nutné, aby ve viditelné a blízké infračervené oblasti slunečního spektra byl absorpční koeficient tohoto povrchu co nejblíže jednotce a v oblasti vlnových délek vlastního tepelného záření povrchu koeficient odrazu by měl mít tendenci k jednotce.
Nejpoužívanější jsou dvouvrstvé selektivní nátěry. Na povrch, kterému je potřeba dodat selektivní vlastnosti, se nanese vrstva s vysokou odrazivostí v dlouhovlnné oblasti spektra, například měď, nikl, molybden, stříbro, hliník. Na tuto vrstvu je nanesena vrstva, která je transparentní v oblasti dlouhých vln, ale má vysoký koeficient absorpce ve viditelné a blízké infračervené oblasti spektra. Takové vlastnosti má mnoho oxidů. Nejjednodušším příkladem získání dvouvrstvého selektivního povrchu je oxidace kovového povrchu. Dvouvrstvý selektivní povrch je také možný v „reverzní“ verzi, kdy jsou výše uvedené vrstvy uspořádány v opačném pořadí: vrstva, která odráží dlouhovlnné záření, je nahoře a vrstva, která absorbuje viditelné a blízké IR spektrální oblasti jsou na dně. V tomto případě musí být horní vrstva pro viditelnou část spektra průhledná.
Povrchovou selektivitu lze zajistit čistě geometrickými faktory: nepravidelnosti povrchu musí být větší než vlnová délka světla ve viditelné a blízké infračervené oblasti spektra a menší než vlnová délka odpovídající vlastní emisi povrchu. Takový povrch bude černý pro první z těchto spektrálních oblastí a zrcadlový pro druhou.
Povrchy s dendritickou nebo porézní strukturou s vhodnou velikostí dendritických jehlic nebo pórů mají selektivní vlastnosti.
Interferenční selektivní povrchy jsou tvořeny několika střídajícími se vrstvami kovu a dielektrika, ve kterých je krátkovlnné záření vlivem interference potlačeno a dlouhovlnné záření se volně odráží.
Dnes je nejrozšířenější plochý kolektor. Skládá se především z absorbéru, průhledného povlaku a tělesa kolektoru. Absorbér umístěný uvnitř kolektoru přeměňuje sluneční záření na teplo a předává je chladivu.
Obr. 1.7 Plochý kolektor.
Zadní stěna kolektoru má dobrou tepelnou izolaci, přední strany jsou opatřeny skleněným povlakem. Sklo snižuje ztráty zářením a zabraňuje únikům tepla do okolí, jako je tomu u skleníkového efektu.
3. Transparentní nátěr
4. Profil boční stěny rámu
7. Kanál chladicí kapaliny
8. Drážka pro upevnění
Tělo kolektoru může být vyrobeno z plastu, cínu nebo dřeva. Tepelnou izolaci zadní stěny kolektoru by měl zajistit tepelně odolný materiál s dobrou tepelnou izolací. Vzhledem k tomu, že teplota v kolektoru může dosáhnout 200 °C (pokud se teplo nepoužívá v domácnosti), musí být všechny součásti systému také teplotně odolné. Skleněný povlak přední stěny kolektoru by měl na jedné straně co nejlépe propouštět sluneční paprsky a na druhé straně zadržovat teplo absorbéru jako ve skleníku. Materiál, ze kterého je vrstva kolektoru vyrobena, musí mít následující vlastnosti:
• Vysoká propustnost světla po celou dobu provozu kolektoru
• Nízký stupeň slunečního odrazu
• Ochrana proti větrnému nebo konvekčnímu chlazení
• Ochrana proti vlhkosti
• Stabilita při mechanickém namáhání
K překrytí přední stěny kolektoru se ve většině případů používá tepelně upravené sklo s nízkým obsahem železa.
Rýže. 1.8 Skleníkový efekt v nádrži.
Jak je vidět na obr. 1.8, viditelné záření (modrý graf) proniká sklem bez překážek, protože ve viditelné oblasti má sklo vysokou propustnost (zelený graf). Černý absorbér přeměňuje viditelné záření na teplo, což způsobuje jeho velké zahřívání. Červený graf ukazuje tepelné ztráty způsobené infračerveným zářením, které přichází z jakéhokoli zahřátého tělesa v souladu s jeho teplotou. Pouze malá část infračerveného záření opouští kolektor, protože Skleněný kryt kolektoru tomu brání. K výrobě absorbéru tepla se používá pouze měď, ocel nebo hliník a existují různé modely absorbérů. Na Obr. 1.9 ukazuje některé z nich:
Hliníkový absorbér
Hliníkový absorbér s lisovanými měděnými trubkami
Absorbér lisovaný z pásků cínových a měděných trubek
Obr. 1.9 Typy absorbérů.
Při dopadu na absorbér tepla je sluneční záření absorbováno a pouze částečně odraženo. Vzniká tak teplo, které se přenáší do trubek zabudovaných v kovové desce, kterými proudí chladicí kapalina. Chladivo absorbuje teplo a předává jej do akumulační nádrže. Hlavní důraz je kladen na to, aby absorbér měl vysokou schopnost pohlcovat světlo a nízkou schopnost vyzařovat teplo do okolí. Toho je dosaženo prostřednictvím selektivního povlaku, který podporuje přeměnu krátkovlnného slunečního záření na teplo a snižuje dlouhovlnné tepelné záření. Dříve se selektivní povlak skládal z černého chromu nebo černého niklu.
Obr.2.1 Absorpce a emise různých povrchů.
Na obrázcích 2.1, 2.2 je emisivita kolektoru s obyčejným černým absorbérem porovnána s absorbérem se selektivním povlakem. V tomto případě je možné zjistit, že oba absorbéry absorbovaly relativně stejné množství slunečního záření, ale tepelné záření uvolněné z absorbéru se selektivním
povlaku je podstatně menší než u běžného absorbéru.
Rýže. 2.2 Emisivita konvenčního černého absorbéru.
U absorbéru s obyčejným černým povlakem zůstává emisivita nezměněna ε, bez ohledu na vlnovou délku ≈ 0 (obr. 95) Infračervené záření je tak nerušeně vyzařováno a je zadržováno pouze skleněným povlakem na přední stěně kolektoru (skleníkový efekt). Tito. sklo absorbuje infračervené záření a způsobuje jeho zahřívání. Sklo vydává teplo, které představuje tepelnou ztrátu kolektoru. Naproti tomu selektivně potažený absorbér (obr. 2.2) má zcela jiný emisní vzor. Červená čára ukazuje infračervenou emisi selektivně potaženého absorbéru, což je asi 2.3 % infračervené emise emitované konvenčně potaženým absorbérem (přerušovaná červená čára). To vede k menším ztrátám tepelného záření a menšímu zahřívání skla, a tedy k podstatně menším tepelným ztrátám.
