Nowe rozwiązania techniczne w kolektorach słonecznych

W związku ze stale rosnącym popytem na rynku kolektorów słonecznych pojawiają się nowe rozwiązania techniczne, które służą poprawie jakości oraz konkurencyjności cenowej tradycyjnych kolektorów słonecznych. Poszukuje się również możliwości wykorzystania kolektorów w nowych konstrukcjach, które pozwalają na rozszerzenie spektrum ich wykorzystania. W artykule przedstawione zostaną wybrane zagadnienia modernizacji kolektorów słonecznych.

Tradycyjne cieczowe kolektory słoneczne

Producenci kolektorów słonecznych, którzy dostarczają kolektory wykonawcom dużych instalacji solarnych, lub biorą bezpośredni udział w przetargach publicznych borykają się z problemem konieczności uzyskania jak najwyższych parametrów wydajnościowych jak najniższym kosztem. Wynika to z procedury tych przetargów, która zakłada wybór oferenta, który zaproponuje najniższą cenę. Prowadzi to do poszukiwania przez niektórych producentów instytucji certyfikujących, które poświadczą najlepszą wydajność produkowanych przez nich kolektorów. Producenci ci uzyskują dzięki temu możliwość ograniczenia w przetargu publicznym konkurencji, zapewnienie realizacji inwestycji w proponowanej przez siebie cenie. O tym, że na południu Europy lub w Warszawie uzyskać można satysfakcjonujące wyniki pisało już wielu autorów. Są też producenci, którzy pracują nad nowymi rozwiązaniami technicznymi, umożliwiającymi uzyskanie wymaganej wydajności kolektorów przy możliwie najniższych kosztach produkcji.

1. 100% aluminium

Aby uniknąć zarzutu reklamy nie wymieniam nazw tych firm, których prace rozwojowe skoncentrowały się na możliwości wykonania kolektorów jako tak zwanych 100% aluminiowych.
Dlaczego przyjęto taki kierunek rozwoju technicznego?

Zastosowanie kolektora słonecznego wykonanego „w całości” z aluminium pozwoliło na wykorzystanie szeregu zalet:
– korzystniejsza cena kolektora. W efekcie znacznej różnicy w cenie zakupu aluminium w porównaniu do ceny miedzi, równocześnie dzięki mniejszym wahaniom ceny aluminium na rynku uzyskano możliwość znacznie prostszego prognozowania oraz kalkulacji kosztów, należy tu oczywiście nadmienić, że przy identycznej powierzchni absorbera istnieje różnica w grubości absorbera aluminiowego oraz miedzianego, jak również inne są parametry rurek przepływowych;
– uzyskano obniżenie ceny kolektora bez uszczerbku na wydajności, sceptycy uważali, że w wyniku przejścia z absorbera miedzianego na aluminiowy dojdzie do obniżenia wydajności (sugerowano, że miedź to lepszy przewodnik), tymczasem zadowalającą wydajność uzyskano dzięki zastosowaniu powłoki selektywnej eta plus na blasze aluminiowej odpowiedniej grubości, połączeniu blachy z rurkami przepływowymi o właściwych parametrach, ustaleniu właściwych parametrów w procesie ultradźwiękowego łączenia blachy z rurkami przepływowymi absorbera oraz prawidłowemu ustaleniu nominalnego przepływu medium grzewczego;
– dzięki znacznie mniejszej gęstości aluminium kolektory z niej wykonane są lżejsze od tych, w których wykorzystano miedź, różnica może dochodzić do 40%, co odgrywa niebagatelną rolę w montażu oraz transporcie, gęstość aluminium (2,7 g/cm3) jest znacznie mniejsza od miedzi (8,96 g/cm3), co może sugerować, że różnica w wadze kolektorów z absorberem miedzianym i aluminiowym powinna być jeszcze większa. Trzeba jednak pamiętać, że absorbery różnią się grubością blachy oraz parametrami rurek przepływowych;
– zastosowanie aluminium o odpowiednim składzie pozwala na uniknięcie korozji, odpowiednie parametry aluminium umożliwiają bezproblemowe zastosowania kolektorów w otoczeniu agresywnym, zawierającym sól morską, znane problemy ze starzeniem się absorberów miedzianych w klimacie nadmorskim mogą być tym samym ograniczone,
– zastosowanie złączek aluminiowych albo wykonanych ze stali nierdzewnej, zamiast miedzi zawierającej cynk, jest dodatkowym czynnikiem pozwalającym na ograniczenie zawartości inhibitorów w cieczy grzewczej, kolektory posiadające miedziane rurki przepływowe wymagają zastosowania specjalnych cieczy solarnych, przejście na aluminium to możliwość kolejnych oszczędności (zwłaszcza w dużych instalacjach solarnych);

– możliwe jest wykorzystanie w procesie produkcji standardowych urządzeń do spawania ultradźwiękowego, bez konieczności poniesienia dodatkowych nakładów, próby stworzenia kombinowanego wykonania absorbera (blacha miedziana na rurkach aluminiowych) prowadziły zwykle do zwłoki czasowej związanej z przejściem na połączenie dwóch metali o różnych parametrach wytrzymałościowych;
– dzięki zastosowaniu wyłącznie aluminium do produkcji absorbera uniknięto problemów wynikających z zastosowania materiałów o różnej wydłużalności cieplnej (na przykład aluminium na miedzi), prowadzących do powstania niepożądanych naprężeń, kolektory z absorberami kombinowanymi wykazywały rysy i pęknięcia wynikające z tego problemu,
– zastosowanie kolektora 100% aluminiowego posiada również efekt ekologiczny, kolektor wykonany jest z jednego materiału, a to ułatwia przeprowadzenie recyklingu. Kolektory z absorberem kombinowanym wymagają oddzielenia blachy aluminiowej od rurek miedzianych.

Preferowanymi metodami wykonania absorbera jest spawanie ultradźwiękami lub wykorzystanie lasera.

Absorber aluminiowy na maszynie do spawania ultradźwiękami przedstawiono na fot. 1.

Te nowe rozwiązania nie pozwalają jednakże na zmniejszenie oporów przepływu medium roboczego, ciecz grzewcza przepływa bowiem przez rurki przepływowe, tworzące absorber w formie harfy lub meandra. W takich rozwiązaniach rurki przepływowe stykają się z absorberem liniowo lub powierzchniowo, ale na stosunkowo małych płaszczyznach. Nie pozwala to na wykorzystanie całej powierzchni blachy absorbera kolektorów do efektywnego przenoszenia pozyskanego ciepła.

2. Absorbery

Kolektory słoneczne są w istocie rzeczy wymiennikami ciepła, powinny więc stanowić konstrukcję umożliwiającą uzyskanie jak największej wydajności energetycznej oraz najmniejszych oporów przepływu, które ograniczą w sposób znaczący pobór mocy pompy systemu solarnego. Sercem kolektora słonecznego jest absorber zbudowany standardowo z cienkiej blachy miedzianej lub aluminiowej, pokrytej powłoką wysokoselektywną, połączonej z systemem rurek przepływowych (miedzianych lub aluminiowych) w formie np. harfy lub meandra za pośrednictwem lutu (lutowanie), zgrzewu (ultradźwięki), szwu (promień lasera) itd. W przypadku absorbera meandrowego dochodzi do stosunkowo równomiernego przepływu ale w wyniku dużej długości meandra występują znaczne opory przepływu. W przypadku harfy sytuacja jest odwrotna, opory przepływu są mniejsze ale wiele do życzenia pozostawia równomierność przepływu. Rozważania te legły u podstaw prac nad zbudowaniem absorbera, który umożliwi zminimalizowanie negatywnych zjawisk w standardowych konstrukcjach absorberów

2.1. Absorber WARO

W standardowych rozwiązaniach absorberów kolektorów słonecznych borykamy się z problemem małej powierzchni przekazywania energii z rurek przepływowych na blachę. Jedna z firm skonstruowała absorber o nazwie WARO, pozwalający na znaczne zwiększenie tej powierzchni (rys. 1).

Dzięki takiemu rozwiązaniu uzyskano bardzo wysoką sprawność optyczną kolektora, rzędu 85%, potwierdzoną testami, kolektor posiada SolarKeymark.

2.2. Absorber fraktalny

W opracowaniu tego rozwiązania wykorzystano naturalne zjawiska, znane w teorii, które związane są z równomiernym zasilaniem komórek roślin, struktur mózgowych lub połaci płucnych człowieka. Struktury zasilające nie są w tym przypadku zbudowane ani w postaci meandra ani w formie kanałów równoległych. Są to tak zwane struktury fraktalne. Efektem prac badawczych jest prototyp kolektora z aluminiowym absorberem fraktalnym, który poddawany jest badaniom w Instytucie Fraunhofera w Niemczech (fot. 2). Prototyp ten osiągnął bardzo wysoką sprawność optyczną oraz bardzo korzystne wartości współczynników strat ciepła.

Kolektor z absorberem fraktalnym posiada jeszcze jedną, bardzo ważną zaletę, która odgrywa niepoślednią rolę w eksploatacji instalacji solarnych. Możliwe jest bowiem konstruowanie dowolnych kształtów absorbera i zwiększenie tym samym możliwości sytuowania kolektorów słonecznych na połaciach dachowych bez potrzeby zastosowania dodatkowych (często kosztownych) konstrukcji mocujących (fot. 3).

3. Izolacje cieplne

Izolacja cieplna kolektora słonecznego odgrywa zasadniczą rolę w ograniczeniu jego strat cieplnych. Dla zapewnienia dobrej ochrony cieplnej niezbędne jest zastosowanie izolacji posiadającej odpowiednie parametry izolacyjne. Oznacza to w przypadku wełny mineralnej konieczność zastosowania warstwy/płyty wełny o odpowiedniej grubości. W kolektorach posiadających dobre wartości współczynników strat ciepła grubość ta wynosi 50 mm pod absorberem i 20 mm po bokach kolektora. Rama kolektora słonecznego posiada w efekcie znaczną wysokość, niezbędne jest bowiem zmieszczenie w niej również absorbera z króćcami, szyby solarnej z niezbędną szczeliną powietrzną itd.

Powyższe ograniczenia wpłynęły na ukierunkowanie prac badawczych na poszukiwanie izolacji o mniejszej grubości, która zapewniać będzie uzyskanie parametrów co najmniej podobnych do wełny mineralnej/szklanej. Izolacją taką jest istniejąca na rynku od szeregu lat izolacja VIP (Vacuum Insulation Panel). Płaskie panele próżniowe pozwalają na kilkukrotne zmniejszenie grubości izolacji przy zachowaniu podobnych właściwości izolacyjnych, co pokazano obrazowo na kolejnym rysunku (fot. 4). Pokazane izolacje posiadają porównywalne właściwości izolacyjne.

Zastosowanie takich paneli pozwala na znaczące zmniejszenie wysokości płaskich kolektorów słonecznych, a co za tym idzie na zmniejszenie ich wagi. Ponieważ izolacja VIP jest szczelnie zamknięta nie istnieje również problem wydzielania się chlorowców podczas prób wygrzewania kolektora słonecznego w ramach badań zmierzających do uzyskania znaku jakości SolarKeymark.

W przypadku zbudowania płyty VIP o odpowiedniej sztywności możliwe jest jej zastosowanie jako tylnej części kolektora słonecznego, bez konieczności montowania tylnej płyty kolektora.

4. Hybrydowe kolektory słoneczne

Pod pojęciem hybrydowe kolektory słoneczne pojawiły się w branży solarnej różnorodne rozwiązania, w których wykorzystuje się energię słoneczną jako podstawowe źródło energii do realizacji wielu zadań. Medium roboczym w takich kolektorach może być płyn solarny (kolektory cieczowe) lub powietrze (kolektory powietrzne) albo oba te media równocześnie (kolektory cieczowo – powietrzne). Energia słoneczna wykorzystywana może być z kolei jako medium grzewcze (kolektory termiczne) lub też służy do wytwarzania prądu (ogniwa fotowoltaiczne). Efektem jest powstanie całego szeregu indywidualnych rozwiązań z możliwością naprzemiennego lub jednoczesnego wykorzystania energii słonecznej do zasilania odbiorników energii. O wybranych rozwiązaniach z tego zakresu relacjonowałem już w innych artykułach, skupię się więc na nowościach.

Student holenderskiego Uniwersytetu Technicznego w Delft opracował kolektor stanowiący powiązanie modułu fotowoltaicznego i kolektora cieczowego (fot. 5). Pod modułem umieścił on szereg kanalików, przez które płynie ciecz solarna i odprowadza ciepło z modułu. Efektem jest znaczne zwiększenie sprawności modułu oraz możliwość wykorzystania pozyskanego ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej lub wspomagania ogrzewania budynków.

Innym wprowadzonym ostatnio rozwiązaniem technicznym jest kolektor cieczowo- powietrzny SOLAERA (fot. 6), który umożliwia naprzemienne wykorzystanie do podgrzewu cieczy roboczej lub podgrzewu powietrza przepływającego przez kolektor. Pod szybą solarną znajduje się absorber meandrowy z blachą z powłoką selektywną, a pod nim specjalnie ukształtowany wymiennik ciepła.

Na etapie prac rozwojowych znajduje się szereg rozwiązań technicznych wykorzystujących cienkościenne przeźroczyste elastyczne moduły fotowoltaiczne, których umieszczenie na szybie solarnej lub na dodatkowej szybie umieszczonej pomiędzy szybą solarną a absorberem pozwala na rozszerzenie możliwości zastosowania kolektorów słonecznych. Rozwiązania te objęte są ochroną więc nie jest możliwe ich zaprezentowanie na obecnym etapie rozwoju.

Podsumowanie

W artykule przedstawiono szereg rozwiązań technicznych wprowadzonych w ostatnim czasie w technice solarnej. Stanowią one kolejny etap prac w kierunku zwiększenia wydajności kolektorów słonecznych. Dla pobudzenia wyobraźni czytelników zamieszczam zdjęcie instalacji kolektorów słonecznych, która stanowi moim zdaniem właściwe zakończenie artykułu.

Jerzy Chodura