Ochrona instalacji solarnych przed przegrzaniem

Dla prawidłowej pracy instalacji solarnych ważne są odpowiednie zabezpieczenia przed przegrzaniem. W praktyce zabezpieczenia tego typu bazują na kilku rozwiązaniach.

W skrajnych przypadkach temperatura paneli solarnych osiąga 200°C. W efekcie przyspiesza się degradacja powłoki oraz pogorsza estetyka urządzenia i właściwości optyczne powłoki. Oprócz tego wzrost temperatury może być przyczyną szybszego zużycia materiałów izolacji i uszczelek. Zbyt wysoka temperatura kolektora powoduje wzrost naprężeń elementów mocujących a odgazowanie lotnych związków przyczynia się do kondensacji na powierzchniach elementów optyki paneli – powierzchnia absorbera, wnętrza przeszkleń.

Naczynia wzbiorcze

Naczynie wzbiorcze chroni instalację przed wzrostem ciśnienia w efekcie wzrostu temperatury w kolektorze. Naczynie tego typu bazuje na części gazowej i wodnej. Oprócz tego ważna jest szczelna membrana wykonana z elastycznego tworzywa. Pęcherz z kauczuku etylenowo-propylenowego nie dopuszcza do kontaktu wody z wewnętrzną powierzchnią zbiornika co zapewnia czystość płynu w obwodzie. Naczynie wzbiorcze ma również ochronny zawór wstępnego ładowania, komorę powietrzną pod wstępnym ciśnieniem oraz podłączenie cieczy.
Wraz ze wzrostem temperatury cieczy zwiększa się jej objętość, po czym czynnik roboczy napełnia membranę (pęcherz). Objętość cieczy rośnie do momentu osiągnięcia maksymalnej temperatury roboczej a pęcherz wypełni całe wnętrze zbiornika. Przy spadku temperatury zmniejsza się objętość cieczy a pod wpływem ciśnienia powietrza ciecz wypływa ze zbiornika do instalacji do momentu aż pęcherz osiągnie swoją początkową objętość.
Pamiętać należy aby na etapie montażu naczynia ustawić właściwe ciśnienie wstępne, które jest wprowadzane fabrycznie w zależności od typu naczynia. Ustawiając ciśnienie wstępne odpowiednio wypuszcza się gaz za pomocą zaworu gazowego. Jeżeli ciśnienie jest zbyt niskie to zbiornik należy wypełnić azotem aż uzyska się właściwe ciśnienie. Podczas okresowej kontroli naczynia porównuje się faktyczne ciśnienie w przestrzeni gazowej z ciśnieniem przewidzianym dla instalacji.

Membranowe zawory bezpieczeństwa

Membranowe zawory bezpieczeństwa chronią instalacje solarne przed nadmiernym wzrostem ciśnienia. Zawory pracują z mediami roboczymi takimi jak woda, mieszanina wody i substancji zapobiegających zamarzaniu, mieszanina wody i płynu Tyfocor oraz ciecze należące do grupy 1 i 2. Ważne jest aby ciecz nie niszczyła materiałów, których użyto w konstrukcji zaworu. Typowy zawór bezpieczeństwa ma ciśnienie otwarcia 6 bar przy zakresie temperatury medium od -20 do 160°C. Korpus wykonuje się z mosiądzu, membranę z silikonu a pokrętło z materiału PA6.
Zanim zawór bezpieczeństwa zostanie zamontowany zaleca się aby przepłukać instalację. Zanieczyszczenia takie jak konopie czy opiłki metalu mogą powodować nieprawidłowe działanie zaworu. Pomiędzy instalacją a zaworem bezpieczeństwa nie montuje się armatury ani innego elementu instalacyjnego, który mógłby ograniczyć przepływ cieczy do zaworu. Strzałka umieszczona na korpusie zaworu bezpieczeństwa wskazuje kierunek przepływu cieczy – z instalacji, poprzez zawór bezpieczeństwa, do rury wyrzutowej. Ważne jest aby zawór przykręcić do rury przyłączeniowej z odpowiednią siłą. Należy pamiętać, że użycie zbyt dużej siły może być przyczyną postawania odkształceń, a co za tym idzie, nieprawidłowej pracy zaworu bezpieczeństwa i wystąpienia przecieków. Podczas montażu zawór nie powinien być poddawany działaniu zbyt wysokiej temperatury np. przy lutowaniu czy spawaniu poszczególnych elementów instalacyjnych. Miejsce montażu nie może być narażone na bezpośrednie działanie temperatury otoczenia. Zawór montuje się bezpośrednio na wymienniku ciepła w górnej części przestrzeni cieczy obiegu solarnego lub na przewodzie odpowiedzialnym za zasilanie instalacji pomiędzy króćcem kolektora solarnego i armatury odcinającej możliwie najbliżej wymiennika ciepła. Jest również możliwa instalacja zaworu na przewodzie powrotnym pomiędzy armaturą odcinającą a kolektorem solarnym. Rura, która łączy instalację z zaworem bezpieczeństwa powinna mieć średnicę równą średnicy wlotu zaworu.

Producenci zalecają sprawdzenie poprawności pracy zaworu nie rzadziej niż co pół roku. Oprócz tego kontrolę należy przeprowadzić po dłuższym przestoju instalacji oraz po montażu zaworu. Sprawdzenie wykonuje się poprzez obrót pokrętła umieszczonego na górze zaworu bezpieczeństwa w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Powinno to spowodować wypłynięcie cieczy z zaworu bezpieczeństwa poprzez rurę wyrzutową. Zwalniając pokrętło powinno ono wrócić do pozycji pierwotnej tym samym zatrzymać wypływ cieczy. Nie wypłynięcie cieczy po obróceniu pokrętła może oznaczać uszkodzenie zaworu. W takich sytuacjach zastępuje się go nowym takim samym elementem.

Odpowiedni sterownik z funkcjami chłodzenia

Podczas pracy sterownika w trybie ochrony kolektorów w instalacji solarnej woda jest nagrzewana w zbiorniku do określonej temperatury, która najczęściej wynosi 45-50°C, po czym obieg płynu zostaje zatrzymany. Jeżeli temperatura kolektorów przekroczy 110°C pomimo tego, że woda zbiorniku ma już zadaną temperaturę, obieg jest ponownie uruchamiany. Pompy pracują tak długo aż temperatura kolektorów spadnie poniżej 100°C lub do podgrzania wody w zbiorniku do temperatury równej maksymalnej dopuszczalnej temperaturze, po przekroczeniu której funkcja jest wyłączana.
Niektóre sterowniki mają tryb chłodzenia nocnego, dzięki czemu jest możliwe załączenie pompy obiegowej w nocy, po to aby obniżyć temperaturę wody w zbiorniku. W efekcie podczas dnia znowu jest przejmowana nadwyżka ciepła z kolektorów do zbiornika. Tryb pracy wyłącza się wraz uzyskaniem temperatury wyłączenia chłodzenia lub przekroczenia przedziału czasowego, w którym funkcja jest aktywna.
Sterownik może pracować w oparciu o funkcję urlopową. Wyłączane są więc dodatkowe urządzenia grzewcze podłączone do sterownika. Oprócz tego w funkcji urlopowej działa chłodzenie nocne.

Osłony na kolektory słoneczne

Niejednokrotnie zastosowanie znajdują specjalne osłony, które zasłaniają kolektory w czasie stagnacji zapewniając ochronę przed przegrzaniem. Zabezpieczana jest powierzchnia absorbera bowiem w zależności od koloru roleta przepuszcza od 3% do 20% promieniowania. Dodatkowo takie rozwiązania zapewnia ochronę przed uszkodzeniami mechanicznymi (np. grad). Specjalny mechanizm odpowiada za naciąganie tkaniny a więc rolety mogą pracować w dowolnej płaszczyźnie.
Najprostsze sterowanie osłonami bazuje na przełączniku obrotowym powodując zaciągnięcie lub opuszczenie rolet. Przydatne rozwiązanie stanowi z kolei automatyczne sterowanie przewodowe wykorzystujące pomiar temperatury cieczy w zasobniku. Oprócz tego jest możliwe wykorzystanie sygnału wysyłanego przez czujnik wiatru. Sterowanie może wykorzystywać również wyjścia sterujące z regulatora solarnego. Niejednokrotnie montuje się automatyczne sterowanie bezprzewodowe.

Co jeszcze?

Ochronę przed przegrzaniem uwzględnia się już w konstrukcji kolektorów wraz z cieczą roboczą. Niektóre czynniki robocze osiągają maksymalną temperaturę 160°C, natomiast po przekroczeniu tej wartości ciepło przestaje być przekazywane do płynu w instalacji solarnej. Tym sposobem brak odbioru ciepła i odparowanie płynu solarnego następuje dużo wolniej niż w tradycyjnych rozwiązaniach. Ponadto ilość odparowanego płynu solarnego jest mniejsza nie tylko w efekcie niższej temperatury ale i mniejszej pojemności cieczowej kolektorów.
Niektóre absorbery kolektorów słonecznych pokrywa się dodatkową warstwą substancji zmieniającej swoje właściwości pod wpływem ciepła. Takie pokrycia absorbera bazują na kilku warstwach, z których jedną jest dwutlenek wanadu. W temperaturze nie przekraczającej 75°C osłona nie stanowi bariery dla promieni słonecznych a praca kolektorów realizowana odbywa się standardowo. Efekt jest taki, że ponad 95% promieniowania słonecznego przetwarza się na ciepło. Jeżeli temperatura przekroczy 75°C to powłoka zmieni swoją strukturę krystaliczną i będzie odbijała większość promieniowania słonecznego zapobiegając przegrzewaniu kolektora. Wraz ze wzrostem temperatury maleje moc kolektora a temperatura stagnacji jest zdecydowanie niższa (poniżej 150°C) i odparowanie czynnika solarnego nie występuje.

Podsumowanie

Skutki przegrzania kolektorów słonecznych, a co za tym idzie, wzrostu ciśnienia w efekcie zwiększenia objętości cieczy roboczej mogą być daleko idące. Wzrost ciśnienia może być przejmowany przez naczynia wzbiorcze lub zawory bezpieczeństwa. Ważne jest aby kontrolować poziom czynnika roboczego, bowiem wzrost jego objętości inicjujący zadziałanie zaworu powoduje, że część cieczy jest odprowadzana na zewnątrz instalacji. Nowoczesne sterowniki mają funkcję chłodzenia instalacji solarnej. Oprócz tego zastosowanie znajdują również specjalne rolety chroniące panele przed nadmiernym nagrzewaniem. Chronią one kolektory nie tylko przed przegrzaniem ale również i uszkodzeniami mechanicznymi.
Praktycy podkreślają, że za najbardziej efektywny, a zarazem najbezpieczniejszy i najszybszy sposób chłodzenia kolektorów uznaje się zrzut ciepła do innego odbiornika ciepła – np. instalacja c.o. w całości lub w części (grzejnik, piec). Wykorzystywana jest przy tym istniejąca lub dodatkowa pompa c.o. lub c.w.u. z zaworami i dodatkową rurą.

Damian Żabicki