Jak zapobiega się stagnacji kolektorów słonecznych?

Przeglądy:

Jaka jest różnica pomiędzy stanem stagnacji, a temperaturą stagnacji kolektora słonecznego? Na co wpływają i o czym świadczą?
Stagnacja problemem w latach 90.

Problem występowania wysokiej temperatury pracy kolektorów słonecznych nasilił się z końcem lat 90. przede wszystkim w Niemczech i Austrii. W skrajnych sytuacjach dochodziło do uszkodzeń elementów instalacji solarnej, w szczególności naczyń wzbiorczych, pomp obiegowych, izolacji cieplnej przewodów. Problem dotykał także glikolu, powodując utratę jego właściwości i w ostatecznym efekcie wytrącanie się osadów. Zwiększało się wówczas ryzyko zatykania orurowania absorbera lub instalacji solarnej, a także ryzyko zamarzania uszkodzonego glikolu w okresie zimowym.

Zwiększone występowanie problemu wysokiej temperatury w kolektorach słonecznych wynikało przede wszystkim z takich powodów, jak:

  • coraz powszechniejsze stosowanie kolektorów słonecznych do wspomagania ogrzewania budynków i niewykorzystywanie nadwyżek ciepła po sezonie grzewczym
  • rozwój technologiczny i wprowadzenie do produkcji wysoko selektywnych pokryć absorberów, tzw. „niebieskich” – wytwarzanych w technologii PVD, a także szyb o zwiększonej transmisyjności
  • zawyżanie dobieranej powierzchni kolektorów słonecznych przy ich większej dostępności cenowej (spadek cen)
  • chęć zwiększania efektów pracy i uzyskiwania wysokiego stopnia pokrycia potrzeb ciepła

Już w latach 90. podjęto szereg badań wyjaśniających mechanizmy powstawania stanów stagnacji, aby móc skutecznie eliminować ich negatywne skutki.

Temperatura stagnacji i stan stagnacji stanowią dwa odrębne pojęcia, które bywają mylone lub nierozróżniane.

Wyznaczanie temperatury stagnacji

Temperatura stagnacji jest jednym z parametrów zawartych w najważniejszym dokumencie dla kolektora słonecznego – certyfikacie Solar Keymark. Jest to wartość określana zgodnie z normą PN-EN 12975-2 w trakcie badań sprawnościowych kolektora w jednym z niezależnych laboratoriów, najczęściej w ramach uzyskiwania certyfikatu Solar Keymark dla kolektora słonecznego. Dla określonej temperatury stagnacji sprawność kolektora będzie zerowa, gdyż osiągnie on równowagę cieplną. Temperaturę stagnacji określa się dla warunków wysokiego nasłonecznienia: 1000 W/m2 przy temperaturze zewnętrznej 30oC (rys.2.).

Wspomniana norma dopuszcza jedną z dwóch metod określenia temperatury stagnacji – przez jej bezpośredni pomiar na powierzchni absorbera lub też na podstawie krzywej sprawności kolektora. Pomiar temperatury absorbera jest łatwy do przeprowadzenia dla kolektorów płaskich, ale już niemożliwy w większości „hermetycznych” kolektorów próżniowych. Stąd jeśli określa się temperaturę stagnacji dla kolektora próżniowego za pomocą pomiaru, to przez czujnik temperatury umieszczony na przyłączach rur próżniowych. Może się zdarzyć, że wysokosprawny kolektor próżniowy będzie miał niższą temperaturę stagnacji od kolektora płaskiego, przede wszystkim w przypadku typu heat-pipe o ograniczonym zakresie temperatury pracy.

Temperatura stagnacji, a charakterystyka sprawności kolektora słonecznego

Krzywą sprawności kolektora słonecznego zamykają dwa punkty. Z lewej strony jest to powszechnie używana w danych technicznych kolektora sprawność optyczna (najwyższa sprawność przy braku strat ciepła), a z prawej strony – punkt na poziomej osi, w którym sprawność będzie zerowa (rys.3).

Temperatura stagnacji stanowi stan równowagi cieplnej, gdy straty ciepła z kolektora słonecznego równoważą się z uzyskami ciepła.
Temperatura stagnacji będzie tym wyższa, im do absorbera dotrze większa ilość promieniowania słonecznego, a przez obudowę kolektora będą następowały niższe straty ciepła.

Współzależność temperatury stagnacji od konstrukcji kolektora słonecznego można wykazać na różne sposoby. Jeśli pod uwagę weźmie się na przykład 10 kolektorów płaskich o najwyższej sprawności pracy według porównywarki efektywności energicznej TOPTEN (w Polsce: www.topten.info.pl) to wyraźnie widać, że za wyższą temperaturą stagnacji idą wyższe sprawności pracy w porównaniu do kolektorów płaskich o temperaturze stagnacji rzędu 120÷170oC (rys.4).

Oferowane obecnie na naszym rynku kolektory płaskie uzyskują przeważnie temperaturę stagnacji rzędu 200 i więcej oC.

Jeśli porówna się kolektory płaskie produkowane z myślą o naszej strefie klimatycznej  z kolektorami oferowanymi w krajach południowej Europy, to również widoczna jest wyraźna różnica w sprawnościach pracy i temperaturze stagnacji (rys.5.). Kolektory przeznaczone dla krajów południowej Europy ze względu na korzystne nasłonecznienie, a także oczekiwania cenowe klientów, cechują się przeważnie niższymi wymaganiami dla izolacji cieplnej obudowy kolektora, standardu szyby (przepuszczalność) oraz cech absorbera (selektywność). Temperatura stagnacji dla tych kolektorów wynosi zwykle od 120 do 160oC. Niższa temperatura stagnacji cechowała również starsze kolektory słoneczne, czego przykładem jest kolektor płaski z roku 1995 przeznaczony do stosowania w warunkach środkowoeuropejskich (Polska, Austria, Niemcy, itp.). Pomimo wysokiej klasy materiałów nawet jak na obecne standardy, temperatura stagnacji wynosiła 150oC. Obniżona sprawność (rys.5.)  była efektem wyższej emisji ciepła pokrycia absorbera, a także niższej przepuszczalności promieniowania słonecznego przez szybę.

Im wyższa będzie temperatura stagnacji, tym krzywa sprawności kolektora będzie miała bardziej płaski przebieg. Oznacza to osiąganie wyższych sprawności pracy, szczególnie im większa będzie różnica temperatury ΔT (K).

Temperatura stagnacji określana jest wg normy PN-EN 12975-2 według dwóch dopuszczalnych metod i w wynikach końcowych mogą występować różnice [1]. Jednak teoria określania sprawności kolektora słonecznego jednoznacznie przypisuje temperaturę stagnacji do wykresu sprawności. Są to wartości od siebie wzajemnie zależne.

Temperatura stagnacji kolektora słonecznego, a ochrona przed przegrzewaniem

Opracowanie austriackiego ministerstwa transportu, innowacji i technologii BMViT [2] określa, że rozwój technologiczny i wyższe właściwości materiałów spowodowały, że obecne kolektory uzyskują wysokie temperatury stagnacji, nawet do 250 oC. Nie należy tego jednocześnie mylić z typowym zakresem temperatury pracy instalacji solarnej, który dalej pozostaje na poziomie zwykle rzędu 80oC.

Jako skuteczny sposób ochrony przed przegrzewaniem, wskazuje się przede wszystkim na takie zaprojektowanie orurowania absorbera (rys.6), a także sposobu połączenia kolektorów w baterii, aby zapewnić swobodne usuwanie glikolu w początkowej fazie stanu stagnacji.

Stan stagnacji następuje wówczas, gdy pompa obiegu solarnego zostanie wyłączona (w zależności od nastawy sterownika, np. po osiągnięciu temperatury w kolektorach 120 oC). Jeżeli glikol nie będzie w stanie swobodnie opuścić absorbera, to dojdzie do jego długotrwałego wrzenia podczas stanu stagnacji (rys.7.).

 

Zalecenia jakie stawia się w opracowaniach [2], [4] w celu uniknięcia negatywnych skutków przegrzewania instalacji solarnej to:

  • korzystna dla opróżniania z glikolu budowa orurowania absorbera,
  • korzystne dla opróżniania z glikolu połączenie kolektorów w baterii,
  • prawidłowe sytuowanie zaworu zwrotnego i podłączenie naczynia wzbiorczego
  • ewentualne stosowanie chłodnic zabezpieczających naczynie wzbiorcze
  • prawidłowe wymiarowanie naczynia wzbiorczego i zaworu bezpieczeństwa
  • wykorzystywanie funkcji sterowników (jak np. funkcja tzw. chłodzenia nocnego, które wg [3] ograniczało w badaniach o 84% częstotliwość występowania stanów stagnacji,
  • stosowanie glikoli dla kolektorów płaskich o zakresie pracy do 160oC, dla próżniowych: 200oC.

 Żadne z zaleceń unikania skutków stagnacji nie wskazuje na konieczność i celowość stosowania kolektorów słonecznych z niską temperaturą stagnacji dla ochrony instalacji solarnej przed przegrzewaniem. Zakres temperatury pracy kolektorów płaskich jest znacznie niższy od wartości zagrażających trwałości standardowych na rynku czynników grzewczych opartych o glikole propylenowe. W szczególności dla kolektorów o dobrym lub bardzo dobrym opróżnianiu glikolu nie występuje możliwość dłuższego poddawania glikolu podwyższonej temperaturze stanu stagnacji. W krótkim czasie kolektory zostają pozbawione glikolu w wyniku wypierania go przez powstającą parę wodną. Sama z kolei wysoka wartość temperatury stagnacji jest wynikową konstrukcji i sprawności kolektora słonecznego, nie wpływając na obciążenie cieplne glikolu i komponentów instalacji solarnej.

Literatura:

[1] Helminger F: 2012 Quality Assurance in solar thermal heating and cooling technology. Keeping track with recent and upcoming developments. Summary report. Stagnation temperature., ÖFPZ Arsenal GmbH – Austrian Institute of Technology

[2] Hausner R., Fink C., Wagner W., Riva R., Hillerns F.: 2003 Entwicklung von thermischen Solarsystemen mit unproblematischem Stagnationsverhalten. Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (austriackie Ministerstwo Transportu, Innowacji Technologii bmvit)

[3] Scheuren J.: 2008 Untersuchungen zum Stagnationsverhalten solartermischer Kollektorfelder,  Kassel University

[4] Krause T.: 2003 Stillstand ist unvermeidbar.  SBZ 15/16-2003

 

Bezpłatna prenumerata