Termiczne instalacje z kolektorami słonecznymi są od wielu lat ważną częścią techniki grzewczej. Zastosowanie kolektorów słonecznych obniża zużycie energii, ale również obniża zużycie paliw kopalnych.

Oprócz podgrzewania wody użytkowej, coraz częściej instalacje z kolektorami słonecznymi służą do wspomagania centralnego ogrzewania. Stosowane coraz większe powierzchnie kolektorów słonecznych, zastosowanie absorberów ciepła o coraz wyższej sprawności powoduje, że temat stagnacji kolektorów stał się jednym z kluczowych zagadnień dla technologii wykorzystującej energię słoneczną. W ciągu ostatnich kilku lat pojawiło się wiele szczegółowych opracowań naukowych o tematyce stagnacji w instalacjach z kolektorami słonecznymi. Wiele z wniosków płynących z tych opracowań zmieniło dotychczasową wiedzę na ten temat, ale również na temat sposobu doboru, podłączenia i uruchomienia instalacji z kolektorami słonecznymi. Według najnowszych opracowań naukowych, obecnie trzy stosowane rozwiązania zapewniają wystarczającą odporność na zjawisko stagnacji: niskociśnieniowe systemy przelewowe (tzw. system Drainback), kolektory próżniowe z systemem „heat pipe” oraz klasyczne systemy ciśnieniowe z kolektorami płaskimi o budowie meandrycznej. Dla obecnych konstrukcji kolektorów słonecznych temperatura stanu unieruchomienia (tzw. stagnacji) przy intensywnym promieniowaniu słonecznym może sięgać 200oC dla kolektorów płaskich i ponad 260oC dla kolektorów rurowych (przykład określania temperatury stagnacji pokazano na rysunku 3).

 System przelewowy auroSTEP Drainback  w stanie stagnacji
Przyczyny stagnacji
 
Warto przypomnieć, że stan stagnacji kolektorów jest normalną sytuacją (chociaż niepożądaną), a instalacja z kolektorami słonecznymi powinna być odpowiednio przygotowana na taką sytuację. Warunkiem powstania stagnacji w instalacji z kolektorami słonecznymi jest brak odbioru ciepła z kolektorów słonecznych, przy jednoczesnym dużym promieniowaniu słonecznym, padającym na powierzchnię kolektora. Zjawisku stagnacji sprzyjają m.in. wysoka wartość promieniowania w lecie, małe zapotrzebowanie na c.w.u., dobrany za mały zasobnik c.w.u., przewymiarowane pole kolektorów w stosunku do zapotrzebowania, brak napięcia elektrycznego czy też awaria pompy solarnej. Największym problemem wydaje się być długa nieobecność użytkowników instalacji w czasie urlopu letniego (czasami 2–3 tygodnie) lub też okres wakacyjny (szczególnie dotyczy takich obiektów jak szkoły, przedszkola). Szczególną uwagę należy zwracać na ten problem przy instalacjach ze słonecznym wspomaganiem ogrzewania, gdzie występuje wysoka sprawność kolektorów wczesną wiosną i jesienią, ale w lecie niewielki rozbiór. Kolejny znaczący przypadek to duże pola kolektorów o dużej pojemności wodnej.
 

Wykres sprawności przykładowego próżniowego kolektora solarnego.

 
Skutki stagnacji
 
Warto też wymienić możliwe negatywne skutki stagnacji, które mogą wystąpić:
• Szybsze zniszczenie cieczy solarnej (zniszczenie termiczne, polimeryzacja produktów termicznego rozkładu cieczy) – konieczność okresowego przepłukania obiegu i wymiany płynu solarnego.
• Zniszczenie elementów instalacji słonecznej (naczynie wzbiorcze, pompa, zawory odcinające, nieszczelności na połączeniach skręcanych lub lutowanych).
• Zniszczenie i odpadnięcie izolacji termicznej (maksymalna temperatura ciągła dla izolacji ze sztucznego kauczuku wynosi 130oC, chwilowa, do kilku minut: 150oC.
• Otwarcie się zaworu bezpieczeństwa dla obiegu solarnego i wyrzut cieczy z obiegu.
• Słyszalne uderzenia hydrauliczne w instalacji.
 
Możemy dodać jeszcze jeden możliwy skutek stagnacji – ogólne niezadowolenie klienta z instalacji z kolektorami słonecznymi.
 
Fazy stagnacji
Aby dobrze zrozumieć sposoby przeciwdziałania negatywnym skutkom zjawiska stagnacji, należy pokazać i omówić przebieg zjawiska stagnacji w instalacji z kolektorami słonecznymi. Proces stagnacji w kolektorach słonecznych można podzielić na 5 faz, następujących kolejno po sobie:
• faza 1 – wzrost temperatury i rozszerzalności cieczy solarnej,
• faza 2 – powstanie pierwszych pęcherzyków pary i ewentualne wypchnięcie cieczy z kolektora (w przypadku kolektorów o dobrych własnościach opróżniających w stanie stagnacji) ,
• faza 3 – wrzenie w kolektorze z parą nasyconą,
• faza 4 – para przegrzana w kolektorach,
• faza 5 – kondensacja i ponowne napełnienie kolektorów słonecznych.
 
Przebieg zmian ciśnienia w kolektorów słonecznych o różnych własnościachFazą krytyczną, mogącą powodować zniszczenie czynnika solarnego i elementów instalacji solarnej jest 3 faza stagnacji – wrzenie cieczy w kolektorze z parą nasyconą. Wskazane jest, aby okres wrzenia czynnika w kolektorach był możliwie jak najkrótszy. Jest to możliwe wtedy, gdy mamy do czynienia z jak najmniejszą pojemnością wodną kolektora. Kolejnym warunkiem są dobre własności opróżnienia się kolektora z cieczy solarnej. W poprzedniej, drugiej fazie stagnacji dochodzi do odparowania czynnika. Zjawisko to występuje w górnej części kolektorów słonecznych w miejscu, w którym panuje najniższe ciśnienie, a zarazem najwyższa temperatura czynnika. W przypadku kolektorów o tzw. dobrych własnościach opróżniających (np. meandrycznej konstrukcji absorbera) w fazie drugiej stagnacji, w czasie rozpoczęcia wrzenia, bąble pary wypychają dużą ilość gorącej cieczy do instalacji. Jest to związane z gwałtownym zwiększeniem objętości pary w stosunku do objętości cieczy. Dla przykładu przy ciśnieniu atmosferycznym z 1 litra wody w czasie wrzenia powstaje 1000 l pary wodnej. Badania wypchniętej cieczy z kolektorów w czasie wrzenia pokazują, że zawartość glikolu w wypchniętej z kolektorów cieczy sięga nawet 70–80% glikolu propylenowego. Jest to związane ze zjawiskiem rozwarstwienia czynnika solarnego na skutek odparowania cieczy dla różnych temperatur wrzenia wody i glikolu propylenowego. Dla przykładu dla wartości ciśnienia cieczy w kolektorze słonecznym 3 bary (nadciśnienie 2 bary) temperatura wrzenia wody wynosi 133oC, mieszaniny glikolu 40-proc. –137 oC, czystego glikolu wynosi aż 226oC (rys. 4).
 
Strategia wysokich ciśnień czynnika solarnego
 
Wyniki prac badawczych obaliły sensowność stosowanej do tej pory praktyki zwiększania ciśnień w układzie solarnym. Do niedawna większość producentów kolektorów słonecznych zalecało znaczne zwiększanie ciśnienia wstępnego poduszki azotowej w naczyniu wzbiorczym oraz stosowanie wysokich ciśnień napełniania cieczą w stanie zimnym….
 
Paweł Lachman
 
 
okladka-2-2011Image41