Przegrzewanie kolektorów – sposoby zabezpieczeń

Rozwiązania spotykane na rynku

Instalacje kolektorów słonecznych z uwagi na uwarunkowania klimatyczne w Polsce służą najczęściej do wspomagania przygotowania ciepłej wody użytkowej. Charakter pracy instalacji solarnych jest ściśle związany z energią promieniowania słonecznego. Oznacza to, że instalacje kolektorów słonecznych najefektywniej pracują w okresie letnim, w którym odbiór ciepła z instalacji jest ograniczony, tym samym w instalacjach tych może dochodzić do przegrzewania się kolektorów słonecznych, czyli tzw. stagnacji. Jest to proces związany z przekroczeniem maksymalnej temperatury cieczy w kolektorze, który w konsekwencji może prowadzić do nieodwracalnych zmian, tym samym ograniczenia efektywności pracy układu solarnego.
W niniejszym opracowaniu zaprezentowano możliwości zabezpieczenia układów solarnych przed przegrzaniem spowodowanym brakiem odbioru ciepła.

Przedstawienie poszczególnych systemów zabezpieczenia przed przegrzaniem wymaga rozróżnienia układów na typy zastosowanych kolektorów, ponieważ różnią się one przede wszystkim współczynnikami strat ciepła. Tak więc w próżniowych kolektorach rurowych strata ciepła w sytuacji, kiedy temperatura cieczy w kolektorze jest niższa niż temperatura w zasobniku jest około 20-krotnie mniejsza w porównaniu do płaskich.

Kolektory płaskie mają możliwość oddawania ciepła (wychładzania zasobnika) w godzinach nocnych, aby zapewnić odbiór ciepła na następny dzień przez funkcję „chłodzenia odwróconego” . W kolektorach próżniowych nie ma możliwości oddania ciepła, więc takie instalacje są bardziej narażone na przegrzanie.

Chłodzenie odwrócone

Zastosowanie „chłodzenia odwróconego”  jest najprostszym zabezpieczeniem instalacji kolektorów słonecznych stosowanych w kolektorach płaskich. Polega na podgrzewaniu wody, albo przegrzewaniu wody w zasobniku, nawet do 90°C w sytuacji, kiedy wymagana temperatura wody w instalacji jest już osiągnięta, a temperatura w kolektorze dalej rośnie. W godzinach wieczornych, kiedy temperatura wody w zasobniku przekracza wartość wymaganą (najczęściej ok. 50-60°C) i jednocześnie jest wyższa od temperatury w kolektorze, pompa solarna wymusza przepływ czynnika przez instalację solarną i oddawanie ciepła (schładzanie) zasobnika przez płyty kolektora słonecznego. Takie rozwiązanie skutecznie zabezpiecza układ, ale ma swoje wady. Jeżeli przykładowo układ wychłodzi zasobnik np. tylko do 60°C, to następnego dnia możemy mieć zbyt małą zdolność magazynowania ciepła dostarczanego przez kolektor. Dodatkowo na wyjściu wody użytkowej z zasobnika należy zastosować zabezpieczenie instalacji ciepłej wody przed poparzeniem.

Stagnacja i rozwarstwianie się glikolu

W przypadkach, kiedy nie mamy już możliwości gromadzenia ciepła w zasobnikach, a temperatura kolektora wzrośnie powyższej 120-130°C, możemy mieć do czynienia z efektem stagnacji, czyli stanem, w którym obiór ciepła przestaje być możliwy. Uwarunkowany tym wzrost temperatury w kolektorze może łatwo doprowadzić do przekroczenia punktu wrzenia cieczy solarnej.
Stosowany najczęściej płyn solarnych na bazie glikolu propylenowego rozwarstwia się (odparowuje woda) zgodnie z poniższym wykresem, na którym przedstawiono przykładowy wykres prężności par (rozwarstwienia) w zależności od temperatury i ciśnienia.

Jak można zauważyć przy standardowym ciśnieniu panującym w instalacji ok. 2 bar, temperatura odparowania (rozpoczęcia procesu zmiany stanu skupienia czynnika) nastąpi przy wzroście temperatury w kolektorze powyżej 125°C, co może w konsekwencji doprowadzić do degradacji płynu, co skutkować będzie zmianą barwy oraz ograniczeniem przepływu przez instalację. Dlatego też producenci kolektorów słonecznych opracowują różne systemy zabezpieczające instalacje przed niekorzystnym wpływem przegrzewania się kolektorów przy braku odbioru ciepła.

Systemy suche „DrainBack”

Rozwiązaniem stosowanym przez wielu producentów kolektorów słonecznych w zakresie ochrony kolektora przed przegrzaniem są tzw. systemy suche „DrainBack”. Zasada działania polega na zastosowaniu zasobnika na czynnik solarny, którym może być zarówno glikol, jak i woda o ściśle określonych właściwościach fizyko-chemicznych. W stanach, kiedy instalacja solarna nie pracuje czynnik ten zmagazynowany jest w zasobniku, a kolektory słoneczne są suche. Dopiero w momencie wykrycia przez automatykę możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego układ pompowy złożony z dwóch pomp powoli napełnia instalację na dachu i po około 2-5 minutach kolektory wypełnione są czynnikiem i następuje normalna eksploatacji instalacji. System ten nazywany jest również systemem bezciśnieniowym, co oznacza, że układ działa na zasadzie przelewania czynnika pomiędzy instalacją kolektorów słonecznych, a zasobnikiem. Systemy DrainBack charakteryzują się dużymi możliwościami, jeżeli chodzi o zastosowanie instalacji solarnej na obiektach, które nie zawsze są wykorzystywane w okresie letnim. Zaletą takiego rozwiązania jest swobodne, stopniowe odpływanie czynnika z kolektorów zlokalizowanych na dachu budynku, tym samy podczas padania promieni słonecznych podgrzewane jest tylko powietrze wypełniające układ. W układach bezciśnieniowych, ze swobodnym odpływem czynnika należy zwrócić szczególną uwagę na sposób prowadzenia instalacji pomiędzy kolektorami a zasobnikiem, ponieważ wykonanie zasyfonowania, np. przy przejściu przez kalenicę dachu będzie stanowiło problem ze swobodnym odprowadzeniem czynnika z kolektorów. Dodatkowo należy pamiętać o zastosowaniu zbiornika umożliwiającego pracę w układzie przelewowym, który będzie gromadził czynnik swobodnie spływający z kolektorów po wyłączeniu zestawu dwóch pomp solarnych.

Kolektory z wodą jako czynnikiem solarnym

Drugą możliwością zabezpieczenia instalacji kolektorów słonecznych spotykanych na naszym rynku jest zastosowanie kolektorów, w których czynnikiem solarnym jest woda. Systemy wodne, stosowane najczęściej w przypadku kolektorów próżniowych z parabolicznymi lustrami CPC kierującymi promieniowanie w stronę absorbera charakteryzują się również wysokim bezpieczeństwem eksploatacji w okresie letnim oraz dużą różnicą pomiędzy temperaturą zasilania i powrotu, a tym samym dużą ilością energii oddawanej do zasobnika. Jako że w układzie krąży woda o jasno określonych przez producenta parametrach fizyko-chemicznych (woda odsolona), temperatura maksymalna w kolektorach słonecznych nie może przekroczyć 90°C. Dalszy wzrost temperatury skutkuje wyłączeniem pompy solarnej i „wypychaniem” wody z układu. Będzie to powodowało wzrost ciśnienia w instalacji, którego nadmiar powinien być skompensowany przez solarne naczynie wzbiorcze. System wodny charakteryzuje się wysokim poziomem zabezpieczenia przed niekorzystnym wpływem promieniowania słonecznego przy braku odbioru ciepła, natomiast układy te, z racji zastosowanego czynnika, wymagają zabezpieczenia przed zamarzaniem. Polega ono na okresowym włączaniu pompy obiegu solarnego i podgrzewaniu czynnika w okresie zimowym, w celu zabezpieczenia czynnika przed zamrożeniem. Ciepło niezbędne do podgrzania czynnika w układach wodnych będzie pobierane z zasobnika wody użytkowej. Systemy wodne są rozwiązaniem ciekawym z punktu widzenia kosztów inwestycyjnych zwłaszcza, jeżeli chodzi o cenę medium, żeby podgrzać czynnik roboczy w kolektorach słonecznych. Dodatkowo należy zapewnić energię elektryczną do pracy pompy układu solarnego np. z dodatkowych baterii w okresach, kiedy wystąpią przerwy w dostawie zasilania.

Kolektory w technologii ThermProtect

System oparty na opatentowaniej technologii ThermProtect to system, który aktywnie zapobiega przegrzewom w instalacji solarnej. Polega na pokryciu absorbera dodatkową warstwą substancji, która pod wpływem podwyższonej temperatury zmienia swoją strukturę krystaliczną, kilkukrotnie zwiększając zdolność kolektora do oddawania (wypromieniowania) ciepła i ograniczając jednocześnie jego moc. Proces jest w pełni odwracalny i przy obniżeniu temperatury, powłoka absorbera powraca do swojej pierwotnej struktury. W temperaturze poniżej 70°C nie stanowi żadnej bariery dla promieni słonecznych i kolektory pracują „normalnie”, zamieniając ponad 95% promieniowania słonecznego na ciepło.

 

Przy temperaturze powyżej 70°C zaczyna oddawać większość promieniowania słonecznego, zapobiegając w ten sposób przegrzewaniu się kolektora. Przy braku odbioru ciepła z kolektorów, płyn solarny nie zagotuje się, nawet w maksymalnym słońcu. Potwierdzają to testy, w których przy nasłonecznieniu dochodzącym do 800 W/m2 w temperaturze otoczenia dochodzącej do 38°C i pozostawieniu instalacji bez odbioru ciepła na kilka dni, temperatura jaką osiągnęły kolektory, to około 145°C. Dzięki zastosowaniu zabezpieczenia instalacji bezpośrednio na kolektorze słonecznym instalacja solarna nie różni się niczym od obecnie stosowanych układów. Jedyne na co należy zwrócić uwagę, to zapewnienie w najwyższym punkcie instalacji nadciśnienia na poziomie 3 bar. Dzięki temu temperatura prężności pary przekracza 150°C, czyli temperatury, która nigdy nie występuje w układzie. Tym samym instalacja jest w pełni zabezpieczona przed przegrzaniem. Dzięki takiemu rozwiązaniu instalacja kolektorów słonecznych sprawdzi się zarówno w domach jednorodzinnych, jak również w budynkach użyteczności publicznej, także w szkołach, bez konieczności stosowania dodatkowego zabezpieczenia przed przegrzaniem.

Przedstawione powyżej możliwości zabezpieczenia instalacji solarnych przed przegrzaniem pokazują, że producenci kolektorów słonecznych przywiązują dużą wagę do przedstawionego problemu. Klienci, który decydują się na zastosowanie na swoich budynkach instalacji kolektorów słonecznych mają możliwość wyboru rozwiązania, tym samym mogą dopasować instalację do indywidualnych potrzeb.

Bezpłatna prenumerata