Inovativní řešení absorpčních vrstev termických kolektorů

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. Toho 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 absorpční vrstvu. Výsledkem dlouholetého vývoje a testování je zcela nová patentovaná absorpční vrstva ThermProtect. Vyvinout takovou vrstvu umožnil i fakt, že společnost Viessmann má vlastní výrobní technologii pro výrobu a nanášení absorpční vrstvy.

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).

Obr. 8 Závislost emisivity na teplotě kolektoru

Obr. 9 Závislost teploty solárního kolektoru na solárním záření a teplotě zásobníku

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.
Základem ThermProtect je vrstva Thermochrom, která je mimo jiné 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 absorpční vrstvy byly implementovány do kolektorů již před rokem 2010. Výsledkem byla série dlouhodobých testů, které prověřily parametry a funkčnost nové vrstvy. Testy byly zaměřeny 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 než 7 000 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 představí kolektory nové generace během následujících týdnů. Tato nová technologie nenavyšuje výrobní náklady, cenová hladina kolektorů se tedy také nezmění. Souhrnné srovnání s dnes nabízenými kolektory je uvedeno níže (tab 1)

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

Text: Jan Koláček
Autor pracuje ve společnosti Viessmann, spol. s r.o.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 4/2016.