Inovativní řešení absorbčních vrstev termických kolektorů
Problematika stagnace solárních zařízení
Solární termický kolektor generuje teplo vždy, když na jeho absorbér dopadne sluneční záření, a to nezávisle na aktuální potřebě. Není-li v soustavě možný nebo vhodný odběr tepla, dojde k růstu teploty v kolektoru až na maximální teplotu (tzv. klidová teplota), nastane stagnace, při které energetický zisk a ztráta udržují vzájemnou rovnováhu. V kolektorech se přitom dosahuje teplot, které překročí bod varu teplonosné kapaliny. Většina výrobců používá teplonosnou kapalinu na bázi propylenglykolu, u společnosti Viessmann je to kapalina s názvem Tyfocor LS. Tvoří ji směs vody s glykolem a doplňkové inhibitory na ochranu proti korozi a stárnutí. V případě časté stagnace dochází k vyššímu zatížení teplonosné kapaliny a její postupné degradace. Molekuly glykolu se rozkládají přibližně při teplotách od 170 °C, vzniká oxidační reakce a začnou se tvořit kyseliny (vzrůstá nebezpečí koroze). Pokud klesne pH teplonosné kapaliny pod hodnotu 7, je nutné kapalinu v soustavě vyměnit (obr. 1). Při dlouho trvajícím jevu stagnace, může docházet až ke vzniku pevné inkrustace (obr. 2).
Obr. 1 Degradace teplonosné kapaliny
Obr. 2 Vznik pevné inkrustace v teplonosné kapalině
Důsledkem tohoto poškození ztrácí teplonosná kapalina schopnost předávat teplo, dochází ke znečištění teplosměnných ploch, inkrustaci potrubí a může také dojít k poškození oběhového čerpadla. To vše znamená snížení účinnosti a nežádoucí dodatečné náklady na údržbu a provoz systému.
Chování kolektoru při stagnaci
Procesy, které se v kolektoru odehrávají při stagnaci, můžeme rozdělit na pět fází.
Fáze 1: Zvětšení objemu kapaliny
Bez odběru tepla z kolektoru v době příjmu slunečního záření se zvětšuje objem teplonosné kapaliny a tlak v systému stoupá o přibližně 1 bar, dokud není dosaženo bodu varu (obr. 3).
Obr .3 1. fáze procesu stagnace
Fáze 2: Odpařování teplonosné kapaliny
Při teplotě varu se v kolektoru tvoří pára, která začne vytlačovat kapalinu z kolektorů. Tlak v systému stoupne ještě o přibližně 1 bar. Teplota média se nyní pohybuje okolo 140 °C (obr. 4).
Obr. 4 2. fáze procesu stagnace
Fáze 3: Bod varu teplonosné látky v kolektoru
Dokud je v kolektoru teplonosná kapalina, produkuje se pára. Směs glykolu a vody se přitom naředí, bod varu stoupá. Tlak v systému stoupá a dosáhne svého maxima, kapalina se zahřeje na teplotu až 180 °C (obr. 5).
Obr.5 3. fáze procesu stagnace
Fáze 4: Přehřátí
Naředěním kapaliny se může odpařovat stále méně vody. Dále stoupne bod varu a tím i teplota v kolektoru. Zmenšuje se výkon kolektoru a množství páry v systému ubývá. Tlak klesá, teplota v kolektoru dosahuje stagnační teploty. Tento stav přetrvává, dokud už nestačí záření, aby kolektor udrželo na stagnační teplotě (obr. 6).
Obr.6 4. fáze procesu stagnace
Fáze 5: Opětovné naplnění kolektoru
V případě úbytku solárního záření klesá teplota kolektoru a tlak v systému. Pára kondenzuje a teplonosná kapalina se tlačí do kolektoru. Když dojde ke styku kapaliny s přehřátými kolektory, mohou se ještě objevit lehké parní rázy (obr. 7).
Obr. 7 5. fáze procesu stagnace
Řešení problému stagnace
Z výše uvedeného je zřejmé, že stagnace není v soustavě žádoucí. Důležité je tedy minimalizovat riziko stagnace. To lze docílit např. správným dimenzováním soustavy, použitím chladiče, použitím žaluzií pro zakrytí kolektorů, upuštěním zásobníku TV, ukládáním přebytků tepla do bazénu nebo otopné soustavy atd.
Společnost Viessmann nahlédla na problematiku eliminace stagnace z jiného úhlu. Hlavní myšlenkou bylo, řešit příčinu stagnace, nikoliv její následky. Proto se vývoj soustředil na místo, kde problém stagnace vzniká, tedy na absorbční vrstvu. Výsledkem dlouholetého vývoje a testování je zcela nová patentovaná absorbční vrstva ThermProtect. Vyvinout takovou vrstvu umožnil i fakt, že společnost Viessmann má vlastní výrobní technologii pro výrobu a nanášení absorbční vrstvy.
Obr. 8 Závislost emisivity na teplotě kolektoru
ThermProtect je selektivní vrstva absorbéru, která v závislosti na teplotě mění své optické vlastnosti (krystalickou strukturu). Odevzdávání energie (emisivita Ɛ) se automaticky přizpůsobuje podmínkám v soustavě. S rostoucí teplotou kolektoru se od teploty 75 °C zvyšuje emisivita (obr. 8).
| Teplota kolektoru | Provoz soustavy | Emise ε |
|---|---|---|
| až 75 °C | Zásobník nenabitý | 6 % |
| od 75 °C | Zásobník nabitý | 6 % až přes 40 % |
V normálním rozsahu teplot solárního zařízení mají kolektory s vrstvou ThermProtect tytéž výkonnostní parametry a optickou účinnost jako běžné solární kolektory. Jakmile však solární zásobník dosáhne požadovaného stavu nabití, působí nadbytek solární energie nárůst teploty kolektorů. Pokud teplota kolektoru překročí vypínací teplotu absorbéru, přizpůsobí se výkon automaticky sníženému odběru tepla. Při zastavení zařízení dosahuje teplota v kolektoru max. klidové teploty 145 °C. Jakmile teplota kolektoru klesne, dojde opět k nárůstu výkonu. Solární zařízení s plochými kolektory s funkcí vypínání umožňuje bezpečné zamezení tvorby páry při současném přizpůsobení tlaku v zařízení. Tento způsob je proto šetrný jak k součástem zařízení (čerpadlu, zpětným klapkám, expanzní nádobě atd.), tak k teplonosné kapalině. Výsledkem je vyšší spolehlivost, životnost systému a využití celého systému.
K zabránění jistého odpařování solární kapaliny je třeba u solárního zařízení s novými kolektory zvýšit jeho plnicí tlak. Tlak v nejvyšším bodě solární soustavy (kolektor) musí mít hodnotu 3,0 bar (v současných instalacích je tlak v nejvyšším bodě 1 bar) . Při plnění solární soustavy musejí být rovněž započítány statická výška solárního zařízení, tlaková záloha pro ztráty odvzdušňováním a přirážka pro výškový rozdíl mezi expanzní nádobou a pojistným ventilem. Vstupní tlak expanzní nádoby musí být nastaven na konkrétní konfiguraci zařízení. Vstupní tlak expanzní nádoby se nastavuje vždy před plněním solární soustavy.
Obr. 9 Závislost teploty solárního kolektoru na solárním záření a teplotě zásobníku
Základem ThermProtect je vrstva Thermochrom, která je mimojiné tvořena oxidy vanadia. V závislosti na teplotě se následně mění krystalická struktura vrstvy a její emisivita.
Obr. 10 Změna krystalické struktury vrstvy Thermochrom
Obr.11 Rozdíl emisivity na kolektoru se standardní a novou vrstvou Thermochrom
Testování a prototypy
První prototypy nové absorbční vrstvy byly implementovány do kolektorů již před rokem 2010. Výsledkem byla série dlouhodobých testů, které prověřili parametry a funkčnost nové vrstvy. Testy byly zaměřené zejména na vysoké teploty (T = 240 °C), vysoké vlhkosti vzduchu (T = 40 °C, 95% RH) a cyklické zatěžování při teplotách 40 - 140 °C a více jak 7000 cyklech.
Parametry teploty stagnace a prevence odpařování v závislosti na čase byly porovnávány na identických instalacích.
Obr. 12 Průběh teploty stagnace a prevence odpařování
Závěr
Kolektory s vrstvou ThermProtect řeší základní problém stagnace solárních soustav, zejména při jejich předimenzování. Lze tedy pokrýt vyšší procento potřeby tepla bez rizika poškození systému a znehodnocení teplonosné kapaliny. Solární kolektory lze použít nejen pro ohřev TV, nebo jako podporu vytápění, ale také jako primární okruh pro adsorpční tepelné čerpadlo, nebo jako regenerační soustava pro tepelná čerpadla se zásobníkem ledu. Společnost Viessmann oficiálně představila kolektory nové generace koncem léta. Tato nová technologie nenavyšuje výrobní náklady, cenová hladina kolektorů se tedy také nezměnila. Souhrnné srovnání se starým typem kolektorů je uvedeno níže (obr. 13).
Obr. 13 Porovnání rozdílů standardních kolektorů s kolektory nové generace
Literatura
[1] VIESSMANN spol. s r.o., Projekční příručka - Solární termické systémy, 2009
[2] VIESSMANN Werke GmbH & Co. KG, Multiplikatorenschulung schaltende Kollektoren, 2016
[3] VIESSMANN spol. s r.o., Projekční návod Vitosol, 2016
Kompletní program Viessmann nabízí individuální řešení s efektivními systémy v nejvyšší kvalitě pro všechny oblasti použití a energetické zdroje - vytápění, průmyslové energetické systémy, chladicí systémy.
