Eksploatacja instalacji solarnych a zastosowane medium

Krążący w instalacji kolektorów słonecznych czynnik roboczy odbierając ciepło z energii promieniowania słonecznego, podgrzewa wodę użytkową zmagazynowaną w zbiorniku. Z racji tego, iż czynnik musi pokonać drogę od kolektora słonecznego do zasobnika c.w.u., musi on mieć odpowiednie właściwości oraz spełniać wymagania. W zależności od typów zainstalowanych kolektorów, przeznaczenia instalacji słonecznej oraz kosztów inwestycyjnych, układy solarne mogą być napełnianie różnymi czynnikami od najprostszego oraz najbardziej dostępnego, czyli wody, po mieszaniny glikolu propylenowego bądź etylenowego z wodą. Przydatność ich wykorzystania zależy w głównej mierze od samej instalacji. 

Światło słoneczne…

 … składa się z mieszaniny wielu barw i długości fal świetlnych. Emitowane przez promieniowanie słoneczne jest nie tylko światło widzialne, czyli te które charakteryzuje się największą intensywnością, lecz również światło podczerwone, promieniowanie ultrafioletowe oraz promieniowanie Rentgena. Docierająca do powierzchni Ziemi „darmowa” do wykorzystania energia chętnie służy za podstawowe źródło w instalacjach odnawialnych źródeł energii, a dokładniej w instalacjach fotowoltaicznych oraz instalacjach solarnych. Warunki klimatyczne Polski jak najbardziej pozwalają wykorzystywać tego typu instalacje. Średnie sumy rocznego uzysku energii promieniowania słonecznego na obszarze Polski wynoszą 1100-1300 kWh/m² w ciągu roku.
Energia ta może zostać odebrana np. przez instalację kolektorów słonecznych, które wykorzystujemy do podgrzewu wody użytkowej.
Aby można było mówić o instalacji solarnej, należy na wstępie omówić podstawowe elementy wchodzące w jej skład.
Przede wszystkim główną składową jest sam kolektor słoneczny, zbudowany z absorbera, który jest w stanie zamienić energię docierającą na powierzchnię kolektora na energię cieplną pozwalającą na ogrzanie zawartego w kolektorze czynnika. W niniejszym artykule przedstawiony zostanie przegląd czynników solarnych, którymi wypełniona jest instalacja oraz warunki ich stosowania w instalacjach z kolektorami.

Woda jako czynnik solarny

Niektóre instalacje solarne, które jako medium wykorzystują wodę o określonych parametrach fizykochemicznych, która ma idealne warunki do przekazywania oraz odbierania ciepła ze względu na jej ciepło właściwe wynoszące 4,20 kJ/kgK, niską lepkość, nietoksyczność, a przede wszystkim dostępność. Innym przykładem zastosowania wody, jako czynnika są kolektory próżniowe z parabolicznymi lustrami CPC kierującymi promieniowanie w stronę absorbera.

Instalacje z wodą charakteryzują się wysokim bezpieczeństwem eksploatacji w okresie letnim oraz dużą ilością energii oddawanej do zasobnika. Tego typu instalacje należy odpowiednio zabezpieczyć przed okresami przejściowymi oraz zimowymi. Najprostszym sposobem jest wypompowanie/usunięcie całego zładu wodnego z instalacji, tym samym zapobiegnie się ewentualnym zamarzaniem czynnika w instalacji. Drugi sposób zabezpieczenia kolektorów słonecznych jest okresowe włączanie pompy obiegu solarnego, tym samym wykorzystuje się ciepło znajdujące się w zasobniku c.w.u.

Systemy te charakteryzują się niskimi kosztami inwestycyjnymi ze względu na cenę samego czynnika. Z drugiej strony pojawiają się również pewne ograniczenia, tzn. maksymalna temperatura w kolektorach słonecznych nie może przekroczyć 90°C, w przypadku dalszego jej wzrostu czynnik musi zostać usunięty, tak aby nie doprowadzono do jego wrzenia. Wrzenie czynnika mogłoby powodować problemy ze względu na zapowietrzenie całego układu, co znacznie przełożyłoby się na efektywność całej instalacji. Dodatkowo należy zabezpieczyć układ przed działaniem niskiej temperatury przez opisane powyżej czynności, co może skutkować wychładzaniem zasobnika w okresach zimowych.

Roztwory glikolu

Typowe instalacje solarne wypełnione są płynem solarnym, który jest mieszaniną wody i środka odpornego na krystalizację w niskiej temperaturze – zwykle jest nim glikol propylenowy lub glikol etylenowy.
Wybór glikolu jest bardzo ważnym aspektem, jego właściwości opisane są przez producenta czynnika solarnego. W przypadku stosowania kolektorów próżniowych, charakteryzujących się podwyższoną temperaturą pracy, należy stosować odpowiednie odmiany o podwyższonej temperaturze wrzenia oraz odporności na warunki eksploatacyjne (temperaturę stagnacji). Dodatkowo czynnik ten musi być neutralny pod względem korozyjności instalacji, tzn. musi mieć odpowiednią wartość pH. Z czasem eksploatacji zmienia się odczyn kwasowości pH, a szybkość zmian zależy bezpośrednio od rezerwy alkalicznej glikolu. Jedną z ważniejszych cech pod względem samej pracy instalacji solarnej jest brak pienienia się czynnika pod wpływem zmian temperatury i ciśnienia. Powstające pęcherzyki powietrza mogą doprowadzić do zapowietrzenia instalacji, co z kolei utrudniałoby transport glikolu z kolektora do zasobnika, czyli bezpośrednio wpłynęłoby na odbiór ciepła z instalacji.

Czysty glikol jest organicznym produktem mającym własności prowadzące do zacierania się elementów wirujących instalacji, dlatego też do zastosowania w instalacji kolektorów słonecznych stosuje się mieszaniny z dodatkiem środków przeciwpiennych, inhibitorów korozji oraz barwników z utrwalaczami.

Glikol propylenowy jest mieszaniną nietoksyczną, niepalną oraz nieszkodliwą biologicznie. Jego rejestracja na terenie Unii Europejskiej nie jest obowiązkowa oraz nie podlega żadnym specjalnym przepisom dotyczącym jego transportu. Temperatura wrzenia wynosi 105°C, gęstość 1,04 g/cm³ oraz pojemność cieplna na poziomie 3,73 kJ/kgK. Oprócz systemów solarnych wykorzystywany jest w przemyśle spożywczym oraz miejscach, w których potencjalny wyciek tego medium mógłby mieć bezpośredni kontakt z żywnością.

Glikol etylenowy. Oprócz wymienionego wcześniej glikolu propylenowego wyróżnić można glikol etylenowy, który ze względu na niższe koszty inwestycyjne jest dość popularnym zamiennikiem. Dodatkowo charakteryzuje się on mniejszą lepkością kinetyczną – 2,85 mm²/s, dla porównania zaś glikol propylenowy ma lepkość wynoszącą 4,79 mm²/s. Te cechy bezpośrednio świadczą o lepszej efektywności przekazywania energii z kolektora słonecznego do zasobnika. Jednakże glikol etylenowy jest substancją toksyczną, co powoduje, że nie powinna mieć kontaktu z wodą użytkową.

Kontrola instalacji solarnej

Zapewnienie właściwej i bezpiecznej pracy instalacji solarnej to główne zadanie stawiane medium roboczemu, którym jest napełniona ta instalacja. Warunki prawidłowej pracy danego czynnika są sprawdzane podczas wykonywania okresowych kontroli instalacji słonecznej.

Temperatura zamarzania
Podstawowym badaniem płynu solarnego jest określenie temperatury krystalizacji (zamarzania).
Właściwość ta pozwoli na bezpieczną pracę całej instalacji podczas okresów, w których temperatura zewnętrzna spada poniżej 0°C. Badanie to wykonywane jest poprzez użycie refraktometru, który występować może w wersji optycznej lub elektronicznej. Test wykonywany jest przy spełnieniu odpowiednich warunków bezpieczeństwa, tzn. ochronie oczu oraz skóry rąk, jak i przy temperaturze nieprzekraczającej 50°C badanego medium. Wraz z refraktometrem w zestawie dołączana jest pipeta umożliwiająca dawkowanie medium roboczego na jego szkiełko. Następnie za pomocą okularu ze skali refraktometru odczytywana jest aktualna osiągana przez dany czynnik temperatura zamarzania. Refraktometr jest narzędziem uniwersalnym, dzięki któremu można odczytać wartość krzepnięcia czynnika zarówno dla glikolu propylenowego, jak i etylenowego.

Każdy czynnik solarny w karcie charakterystyki ma podaną temperaturę krzepnięcia. W przypadku czynnika Tyfocor firmy Viessmann ta temperatura powinna wynosić -28°C. Jeżeli podczas badania płynu odczytana wartość temperatury krzepnięcia będzie wyższa niż -28°C (dążąca do 0°C), oznaczać to może, że czynnik został rozcieńczony wodą, prawdopodobnie znajdującą się w instalacji po jej płukaniu. W przypadku, gdy temperatura odczytana jest dużo niższa od -28°C, oznacza że płyn stracił swoje właściwości na skutek przegrzania i odparowania wody z roztworu. Oba te przypadki kwalifikują medium solarne do wymiany.

Wartość pH

Oprócz sprawdzenia mrozoodporności czynnika solarnego, podczas wykonywania przeglądu okresowego jesteśmy zobligowani do sprawdzenia wartości pH. Kontrolę odczynu danego medium przeprowadza się wykorzystując papierki lakmusowe. Solarne czynniki grzewcze firmy Viessmann mają właściwości lekko alkaliczne oraz neutralizujące kwasy, które powstają poprzez obciążenia temperaturowe, jak i tlenowe. Cechy te powodują zużycie się czynnika podczas pracy instalacji, a sam odczyn zmienia się w kierunku kwasowości, powodując uszkodzenia elementów instalacji nieodpornych na działanie kwasów. Prawidłowe parametry pH zawierają się w zakresie 8,5-10,5.

Ciśnienie pracy w instalacji

To kolejny bardzo ważny aspekt związany bezpośrednio z medium solarnym. Przede wszystkim instalacja kolektorów słonecznych powinna być nadciśnieniowa, oznacza to, że należy zapewnić w najwyższym punkcie instalacji minimum 1 bar. W przypadku, gdy w instalacji zastosowano kolektory z zabezpieczaniem przed przegrzewaniem bezpośrednio w absorberze, poprzez zastosowanie układu ThermProtect, to ciśnienie pracy musi wynosić minimum 3,5 bara. Prawidłowy dobór ciśnienia pracy jest w bardzo prosty sposób do wyznaczenia. Zgodnie z prawem Pascala, ciśnienie uzależnione jest od 3 głównych wielkości: gęstości cieczy, przyspieszenia ziemskiego oraz wysokości słupa cieczy. Dla uproszczenia można przyjąć, że każdy metr wysokości statycznej instalacji (wysokość od grupy pompowej, na której znajduje się manometr do najwyższego punktu instalacji) podnosi ciśnienie pracy o dodatkowe 0,1 bar. W związku z tym dla instalacji, której wysokość statyczna wynosi 10 m, ciśnienie pracy instalacji solarnej wynosić będzie odpowiednio: 2 bary dla typowych kolektorów słonecznych lub 4,5 bara w przypadku kolektorów z warstwą ThermProtect.

Oprócz określenia prawidłowego ciśnienia pracy instalacji, kolejnym etapem jest dobór ciśnienia wstępnego w naczyniu przeponowym instalacji solarnej. Naczynie to przejmować będzie nadmiar płynu solarnego. W celu zapewnienia prawidłowej pracy należy w poduszce powietrznej przeponowego ciśnienia wzbiorczego ustawić ciśnienie niższe o 0,3 bar niż ciśnienie robocze instalacji.

Podsumowanie: a jednak… glikol propylenowy

Zastosowanie czynnika krążącego w instalacji kolektorów słonecznych warunkuje wieloletnią, bezpieczną eksploatację instalacji. Podczas wyboru rozwiązania należy odpowiedzieć sobie na pytanie, do czego i w jakim okresie wykorzystywana będzie instalacja. Wodę w układzie możemy zastosować, jeżeli prawidłowo zabezpieczymy instalację przed zamarzaniem. Glikol etylenowy, który jest drugim pod względem ceny medium rozważać można w instalacjach, które nie mają styczności z wodą użytkową. Najpowszechniej stosowanym czynnikiem jest glikol propylenowy, który oprócz właściwości cieplnych jest również najbezpieczniejszym płynem solarnym dla użytkownika instalacji.