Rozwiązanie problemów ze stagnacją w kolektorach słonecznych

Ciągle zwiększający się poziom wiedzy i nieustające zmiany w technologii solarnej powodują, że stagnacja w kolektorach słonecznych nie jest obecnie tak dużym problemem jak mogło się wydawać jeszcze parę lat temu.

Konstrukcja kolektorów o dobrych własnościach opróżniających

Zastosowanie kolektorów płaskich o budowie meandrycznej (serpentynowej, rys. 2, pierwszy kolektor od lewej strony) przy zachowaniu innych ważnych zaleceń (ciśnienie napełniania, sposób podłączenia rur itd.) zapewnia minimalizację negatywnych skutków stanu stagnacji. Absorber „produkujący” parę nasyconą może ponownie rozpocząć pracę tak szybko jak zostanie odprowadzona ciecz z absorbera i wychłodzona przez chłodnicę w instalacji. Dla kolektorów o złych własnościach opróżniających cała ciecz z absorbera może zostać wygotowana i odparowana a następnie rozprowadzona po całej instalacji solarnej. Na rysunku 1 widać jak w kolektorze z lewej strony ciecz zostaje zamknięta w pułapce po odparowaniu w górnej części kolektora. Kolektor o takiej konstrukcji można nazwać „gotującym”. Cała objętość pozostającej cieczy solarnej w kolektorze może się „wygotować”. Na rysunku 1.B widać kolektor o konstrukcji meandrycznej, o bardzo dobrych własnościach opróżniających. W momencie, kiedy nastąpi odparowanie niewielkiej objętości cieczy u góry kolektora, prawie cała ciecz solarna zostanie wypchnięta z kolektora głównie do tyłu w kierunku naczynia wzbiorczego. Przykład konstrukcji kolektorów o różnych własnościach opróżniających w stanie stagnacji pokazany jest na rysunku 2. Kolektory o spiralnej konstrukcji absorbera są uznawane za konstrukcje o najlepszych własnościach opróżniających (z lewej strony u góry). Jako konstrukcje o dobrych własnościach opróżniających uznaje się absorber tzw. dwuharfowy (u góry w środku), którego własności są lepsze od absorberów tzw. jednoharfowych (u góry z lewej strony). Na dole z lewej strony widać konstrukcję, która występuje w większości kolektorów próżniowych (u-rurka). Przy takiej konstrukcji istotna jest możliwie jak najmniejsza pojemność cieplna. W tym roku pojawiły się na rynku niemieckim pierwsze konstrukcje kolektorów próżniowych o obróconej u-rurce (kolektor zasilania i powrotu na dole, a nie u góry). Rozwiązanie to zdecydowanie poprawia własności opróżniające kolektora próżniowego w stanie stagnacji.

Oprócz własności kolektora ważny jest sposób podłączenia rur zasilania i powrotu do pola kolektorów. Rury podłączeniowe powinny możliwie najszybciej schodzić w dół poniżej kolektorów. Należy unikać wyprowadzania rur łączących ponad kolektory. Na rysunku 3 pokazane są poprawne i niepoprawne sposoby podłączeń kolektorów. Należy unikać wyprowadzania rury powrotu do góry. Mimo zastosowania w tym przypadku kolektorów o dobrych własnościach opróżniających, przy takim podłączeniu nie nastąpi wypchnięcie cieczy z kolektora w stanie stagnacji i takie rozwiązanie spowoduje wszystkie negatywne skutki, jak dla kolektora o złych własnościach opróżniających. W literaturze przedmiotu dotyczącej stagnacji w kolektorach słonecznych pojawił się nowy parametr określający zachowanie się kolektora w czasie stagnacji – to wartość DPL (Dampfleistung), jednostkowa moc wrzenia kolektora. Wartość ta zależy przede wszystkim od konstrukcji kolektorów oraz od ciśnienia systemowego cieczy. Dla kolektorów płaskich o konstrukcji meandrycznej (spiralnej) moc wrzenia DPL < 50 W/m2, dla kolektorów próżniowych o konstrukcji o złych wartość opróżniających DPL wynosi >120 W/m2. Wartość DPL pomocna jest w określaniu, kiedy należałoby zastosować chłodnice w systemie solarnym. Można przyjąć, że rura powrotu lub zasilania o średnicy 1/2” z izolacją o grubości ścianki 20 mm ma straty ciepła ok. 20 W/mb (w stanie stagnacji dla ΔT=120 K). W przypadku zastosowania kolektorów o konstrukcji meandrycznej, np. o pow. 6 m2 (wartość DPL < 50W/m2) przy długości rur zasilania i powrotu powyżej 30 m, nie potrzeba stosować chłodnicy. Dla kolektorów próżniowych o pow. 6 m2 minimalna wymagana łączna długość rur wyniosłaby ponad 75 m! Pokazuje to konieczność stosowania naczyń chłodzących w przypadku kolektorów próżniowych.

Czytaj całość w GlobEnergia 4/2011

Dobór naczyń wzbiorczych

W tej dziedzinie od wielu lat występują ciągłe zmiany metodologii obliczeń pojemności całkowitej naczynia wzbiorczego. Widoczna jest przy tym ciągła tendencja do zwiększania pojemności całkowitej. Według obecnych zaleceń naczynia wzbiorcze należy tak dobierać, aby w stanie stagnacji ciśnienie absolutne w kolektorach nie przekraczało 4 bar (temp. wrzenia – 150^oC) i uwzględnić pojemność wypchniętą z kolektora w stanie stagnacji, jak również objętość rur ponad kolektorem, które mogą być w stanie pary. Ze względu na ciągłe zmiany, warto opierać się na najnowszych wytycznych producentów, dotyczących doboru naczyń (w praktyce materiały nie starsze niż 2–3 lata).

Zastosowanie chłodnicy w solarnych systemach ciśnieniowych

Jeszcze do niedawna producenci zalecali stosowanie chłodnic dla instalacji z kolektorami próżniowymi lub dla kolektorów płaskich, w przypadku gdy długość rur łączących kolektory ze stacją solarną była krótsza niż 2x15 m. Zgodnie z najnowszym stanem wiedzy, niektórzy producenci systemów solarnych zalecają stosowanie naczyń chłodzących (chłodnic) w każdym wysokociśnieniowym układzie solarnym. Funkcję chłodnicy może spełniać naczynie np. o dużej powierzchni wymiany ciepła lub nieizolowana rura o średnicy 1”, zwinięta w formie spiralnej. Zadaniem chłodnicy jest z jednej strony odbiór ciepła w celu obniżenia temperatury cieczy solarnej poniżej 70^oC, tak aby ochronić przed zniszczeniem membranę w naczyniu wzbiorczym. Z drugiej strony chłodnica odbierając ciepło od wypchniętej cieczy z kolektorów, zapewnia możliwość szybszego powrotu do pracy układu będącego w stanie stagnacji.

Chłodnica montowana jest między zestawem pompowym a naczyniem wzbiorczym. Rury łączące nie mogą być izolowane, stanowią też rodzaj chłodnicy. Niedawno w ofercie pojawiły się zintegrowane naczynia wzbiorcze z chłodnicami. Na przykład naczynie wzbiorcze o pojemności 25 l zawiera wbudowaną chłodnicę o pojemności 10 l. Przy wyborze stosuje się kilka metod doboru wielkości. Najprostsza metoda i przykładowy dobór wielkości naczynia chłodzącego pokazany jest na rysunku 4. Wymaganą minimalną pojemność chłodzącą określa wartość 50% pojemności całkowitej naczynia. W przykładzie z wyliczeń wynika minimalna wielkość naczynia wzbiorczego 20 l. Wymagana objętość chłodząca wynosi 10 l. Objętość chłodząca jest to objętość rur zasilania i powrotu do stacji pompowej plus odcinek do naczynia wzbiorczego (na rysunku 4 pokazana na czerwono). W przykładzie pojemność ta wynosi łącznie około 6 l, a wymagana pojemność naczynia chłodzącego (chłodnicy) to 10 – 6 = 4 l. W sposób przybliżony i całkowicie bezpieczny można przyjąć, że pojemność chłodnicy powinna wynosić ok. 40% pojemności całkowitej solarnego naczynia wzbiorczego. Warto wspomnieć o drugiej, dokładniejszej metodzie kontroli i ewentualnego doboru naczynia chłodzącego. Zakłada ona konieczność zbilansowania łącznej mocy parowania kolektorów w stanie stagnacji (wartość DPL) i mocy chłodzenia części instalacji solarnej (zaznaczonej na rysunku 4 na czerwono). W przypadku gdy po zbilansowaniu brakuje mocy chłodzącej, należy dobrać odpowiednie naczynie chłodzące.

zobacz także:

Stagnacja w kolektorach słonecznych

Paweł Lachman

Czytaj całość w GlobEnergia 4/2011

0 Komentarze