Badania i RozwójKolektory słoneczne

Porównanie kolektorów, czyli jak oddzielić ziarno od plew. Część 1

Przy wyższych temperaturach pracy uzyski kolektorów z izolacją próżniową są znacznie wyższe od uzysków kolektorów z konwencjonalną izolacją termiczną. W warunkach przeciętnego nasłonecznienia (np. 450 W/m² w Würzburg) przy różnicy temperatury kolektora i otoczenia około 25K lepsze kolektory płaskie byłyby lepsze od kolektorów próżniowo-rurowych ustawionych w cieniu. Przy różnicy temperatur od około 40K najprostsze kolektory próżniowo-rurowe zostawiają w tyle każdy kolektor płaski w bezpośrednim porównaniu mocy.

Od 2006 roku Paradigma buduje duże instalacje solarne (SGA) z wykorzystaniem kolektorów próżniowo-rurowych, które podobnie jak zwykły kocioł grzewczy pracują na wodzie i równie prosto i bezpośrednio podłączane są do instalacji grzewczej. Do chwili obecnej powstało wiele instalacji, między innymi w Esslingen-Berkheim niedaleko Stuttgartu w firmie FESTO AG o powierzchni 1330 m². W chwili uruchomienia była to największa na świecie instalacja kolektorów próżniowo-rurowych, która w zimie służy do ogrzewania, a w lecie zasila również największy na świecie agregat adsorbcyjny do chłodzenia 27.000 m³ powierzchni biurowej. Potwierdziło się, że do takich procesów technologicznych  nadają się tylko kolektory próżniowo-rurowe o wysokiej wydajności. Instalację SGA w FESTO Solarserver prezentuje jako „Instalację miesiąca„ w maju 2008.

Krótka historia rozwoju techniki solarnej

Przed końcem roku 1990 konwencjonalna technika solarna znalazła się w ślepej uliczce. Nauczono się, że zwykłe kolektory nie nadają się do wielu systemów grzewczych i procesów technologicznych. Potrzeba kolektorów o znacznie mniejszych stratach ciepła. Było też również jasne, że wyższe temperatury pracy i konwencjonalne środki ochrony przed zamarzaniem nie będą współdziałać, jeśli nie zapobiegnie się stanom stagnacji termicznej.

Od tego czasu rozwijano różne sposoby stabilizacji nośników ciepła. Magazynowanie ciepła w gigantycznych wodnych buforach i sezonowych magazynach ciepła otrzymywały wielkie dofinansowania, a technika wielofunkcyjnych magazynów prowadziła do różnorodności nie do opanowania, projekty zbiorników coraz częściej spotykało niepowodzenie. Również kolektory płaskie próbowano poprawiać w laboratoriach, jakkolwiek za sprawą walki konkurencyjnej na ceny, przeciętne kolektory współczesne potrafią być gorsze niż te stare. Wszystkie te drogi, dobrze wspierane naukowo i finansowo, znalazły swoje odbicie w aktualnym programie motywacyjnym (MAP).

Od roku 1997 Paradigma obrała zupełnie inną drogę i skierowała swoja uwagę na technikę próżniowo-rurową, znaną jako rura Dewara lub po prostu termos. Rury zostały nieco udoskonalone, wbudowane w kolektory własnej produkcji oraz wyposażone w precyzyjne, własnej konstrukcji lustro CPC. Z takim próżniowo-rurowym systemem osiągnięto minimalne straty ciepła, ale również maksymalny komfort montażu na budowie. Od 2003 roku Paradigma konsekwentnie stosuje w tzw AquaSystemie wyłącznie wodę jako medium do transportu ciepła i chroni instalację przed zamrożeniem pobierając niewielkie ilości niskotemperaturowego ciepła ze zbiornika lub sieci cieplnej. Ze względu na niskie straty własne kolektorów, to do ochrony wystarcza zaledwie 2 do 4% energii gromadzonej w ciągu całego roku. Przy czym jest ona z nawiązką kompensowana przez korzyści wynikające z właściwości fizycznych wody oraz egzegetycznych korzyści z wysokotemperaturowego zasilania. Ta koncepcja jest sprawdzona w działaniu kilkudziesięciu tysięcy instalacji. W porównaniu do tradycyjnych systemów solarnych AquaSystem oferuje wiele korzyści:

  • instalacja solarna pracuje jako drugi kocioł z dowolnie ustawianymi temperaturami
  • wymiennik ciepła i płyn niezamarzający są zbędne, oznacza to mniejsze koszty
  • nie istnieje żaden problem z przegrzewaniem się kolektorów. Temperatury zasilania do 130° C są całkiem możliwe. Instalacja może bez żadnych złych konsekwencji pozostawać w stanie stagnacji. Możliwe jest więc stosowanie mniejszych i sprawniejszych zbiorników.
  • Warstwowe ładowanie zbiornika i mniejsze wymagania co do pojemności zbiornika sprawiają, że ciepło jest dostępne bardzo szybko
  • ilość energii elektrycznej potrzebna do pracy pomp jest w przybliżeniu o połowę mniejsza niż w systemie konwencjonalnym
  • obszerna kontrola stanu systemu wykrywa i melduje o błędach oraz dba o optymalne warunki pracy
Pierwsze wyniki pracy instalacji w FESTO

Na początek ilustracja stanu z dnia 18 grudnia 2007. Chociaż przez cały dzień temperatura nie przekraczała -5°C, temperatura wymagana z łatwością osiągnęła poziom 70°C i energia 1,5 MWh zgromadziła się w zbiorniku. Jak na najkrótszy i zimny dzień to całkiem dobry wynik, szczególnie, że w zimie panują znaczne zacienienia, jak widać na wykresie.

festo10

24 lutego panowały lepsze warunki . Zbiornik został naładowany energią 4,3MWh z temperaturą ponad 80°C. To ponad 3,2 kWh/m2 powierzchni brutto. Jak na luty, to też wyśmienity wynik.

Ciekawe, czy płaskie kolektory, w przynajmniej jeden ładny sierpniowy dzień dały by taki wynik..

festo11

Charakterystyki kolektorów

Najpierw trzeba wyjaśnić często spotykany w mediach błąd dotyczący warunków badania uzysku kolektorów. Problem leży w częstym prezentowaniu charakterystyk kolektorów dla egzotycznych warunków pracy np. 800 W/m². To jest możliwe na stanowisku badawczym w Würzburgu przy ustawieniu kolektora dokładnie na południe i nachyleniu pod kątem 45° przez 11% czasu promieniowania słonecznego, a dokładniej przez około 159 godzin w roku. Dobrze dobrane pole kolektorów i tak wiele z tych godzin spędzi w stanie stagnacji. Natomiast więcej niż 13% promieniowania słonecznego pada z natężeniem mniejszym niż 200 W/m². Średnie natężenie promieniowania w Würzburg wynosi około 397 W/m². Okres promieniowania poniżej 100 W/m² w tym bilansie jest pominięty, ponieważ dla kolektorów płaskich jest całkowicie bezużyteczny, a dla próżniowo-rurowych maksymalnie 5% tylko mogłoby być ujęte w bilansie. Bez tej korekty średnia roczna byłaby jeszcze niżej.

wykres01wykres02

Dla pewności, że parametry kolektorów opierają się na tych samych warunkach pomiaru i tym samym są porównywalne, zastosowano warunki z SolarKeymark. Porównano poniższe kolektory:

Lp Kolektor η0 a1 [W/m²K] a2 [W/m²K] Apertura/brutto
1 CPC-VRK, przepływ pośredni, register stalowy 0,644 0,749 0,0050 0,9165
2 VRK Heatpipe 0,730 1,260 0,0041 0,7477
3 VRK, przepływ bezpośredni 0,775 1,740 0,0038 0,7477
4 Płaski wielkopowierzchniowy,
selektywny absorber
0,745 3,260 0,0185 0,9271
5 Podwójnie szklony płaski
selektywny absorber
0,793 2,920 0,1310 0,9183
6 Przeciętny płaski
selektywny absorber
0,722 4,170 0,0107 0,9283

Dane w SolarKeymark odniesione są do powierzchni apertury. Poniższy wykres sporządzono w oparciu o przeliczenie na powierzchnię brutto, ponieważ tylko ta jest dofinansowana, porównywalna i na jej podstawie ocenia się dostępną powierzchnię dachu.

kennlinie01

Charakterystyki opracowane dla natężenia promieniowania 450 W/m² ukazują, że w wymaganych warunkach, najpóźniej przy 40 K różnicy temperatury kolektora i otoczenia wszystkie trzy kolektory rurowe przewyższają kolektory płaskie. Kolektory próżniowo-rurowe CPC mają większą moc od przeciętnych kolektorów płaskich już przy różnicy temperatur 15K , a od bardzo dobrych przy 25K. Przy czym te płaskie kolektory są bardzo dobrymi reprezentantami swojego gatunku. Kolektor nr 5 jest niewątpliwie jednym z najlepszych i powinien reprezentować aktualne graniczne możliwości kolektorów płaskich.

Koniecznie należy też krytycznie spojrzeć na warunki badania kolektorów. Wg normy DIN EN 12975 wszystkie badanie przeprowadzane są z wodą, jako nośnikiem ciepła., a uzyskane wyniki bez żadnej korekty publikowane są mimo, że w rzeczywistości niemal wszyscy producenci stosują w obiegu solarnym medium, które np. przy 40°C ma mniejszą pojemność cieplną o 12% , 3,8 razy większą lepkość, 38% mniejszą przewodność cieplną i jedną czwartą liczby Reynoldsa (przez co kolektory przeważnie muszą pracować w niekorzystnych warunkach z laminarnym przepływem ), mniejszym o 25% współczynnikiem sprawności przekazywania ciepła i 42% (przy turbulentnym) do 385% (przy laminarnym) większym spadku ciśnienia niż w przypadku wody. Dla niższych temperatur te różnice będą jeszcze wyraźniejsze na korzyść wody. Dopóki producenci nie będą stosować wody w obiegach solarnych, dopóty będą musieli godzić się z gorszą pozycją z technicznego punktu widzenia.

Może jednak warto po raz kolejny, odpowiedzieć sobie na pytanie, co warte są wyniki pomiarów bez poprawki na parametry nośnika ciepła. Wtedy nawet Fundacja Warentest nie zechce dłużej pojednawczo pisać: „…doszliśmy do przekonania, że różnice są marginalne …”. Każdy może sam całkiem szybko wyobrazić sobie, jak „marginalne” faktycznie są te różnice. Kiedy weźmiemy dowolny wymiennik płytowy z odpowiednim dla niego programem do projektowania przygotowanym przez producenta (np. SWEP, Alfa Lavall, Gea WTT i inni) i rzetelnie przeliczymy dla przypadku wymiany woda-woda i woda-płyn niezamarzający, to okazuje się jednoznacznie, że potrzeba 3 razy więcej płyt, aby uzyskać te same parametry wymiany przechodząc od przepływu turbulentnego do laminarnego. Dokładnie te same zależności obowiązują w kolektorach. W kolektorach z płynem niezamarzającym najczęściej przepływ jest laminarny, a w kolektorach z woda najczęściej turbulentny. Niemal wszystkie programy do symulacji pracy instalacji solarnej ignorują te różnice całkowicie. Prawdopodobnie w tym należy upatrywać przyczyny prawie regularnych odchyleń do obiecywanych rocznych uzysków w przypadku instalacji z płynami niezamarzającymi, które można prześledzić w literaturze o wielkich systemach solarnych.

Wynik obliczeń całkiem bez wymiennika, jak to jest w AquaSystemie, nigdy nie będzie zawyżony.

Faktycznie w najbardziej znanych programach symulacyjnych nie można całkowicie odłączyć wymiennika ciepła.

Dynamiczne roczne porównanie

W tej części będzie wykazane, że przyszłość solarnego wspomagania procesów technologicznych leży w technice próżniowo-rurowej. W tym celu przebadano zachowanie trzech kolektorów rurowych i trzech płaskich w zastosowaniu podobnym jak w projekcie FESTO. Przyjęto dwa obiegi grzewcze, z tego jeden dla ciepła technologicznego z wymagana temperaturą 90°C, oraz ogrzewanie z temperaturą wymagana w zakresie 45°C – 70°C w okresie grzewczym.

schemat01Przyjęto pole o powierzchni 250 m2 brutto skierowaną na południe z nachyleniem 40°. Bufor ma tylko 4,5m³ i straty własne 8W/K. Pole kolektorów składa się z 12 ciągów po 20,8 m² w serii. Każdy ciąg rozchodzi się na lewo lub prawo od głównych przewodów. Główny rurociąg o średnicy DN50 i długości 20 m leży na zewnątrz, a pozostałe 50 m wewnątrz budynku.

Pole zostało przyjęte jednakowe dla wszystkich kolektorów, chociaż w przypadku niektórych wiązało się to z komplikacjami, np. niektóre nie posiadają rury powrotnej, a heat-pipy nie mogą być łączone w pola o powierzchni większej niż 6 m². Ciśnienie robocze i wysokość statyczna pozwalała na załadunek bufora do 103°C. Dla zapewnienia porównywalności wyposażono wszystkie kolektory w zestaw przyłączeniowy firmy Paradigma ze zintegrowanym czujnikiem temperatury. Wszystkie kolektory próżniowo-rurowe napełniono wodą, a do sterowania użyto regulacji SystaSolarAqua. Kolektory płaskie napełniono mieszanka glikol-woda i sterowano regulacją SystaSolar (z regulacją obrotów). W obiegu kolektorów płaskich zamontowano wymiennik płytowy i założono różnicę temperatury ΔT=5K. Wielkość przepływu jednostkowego ustalono na 0,35 l/m² powierzchni apertury. Chociaż większość systemów ma wyraźnie większe opory przepływu i wymaga mocniejszych pomp, dla uproszczenia porównań nie badano zużycia energii elektrycznej, ale tylko czas pracy pomp.

Obieg grzewczy 1. Temperatura zasilania minimum 90°C to znaczy bufor będzie rozładowywany dopiero kiedy temperatura na czujniku umieszczonym najwyżej osiągnie 90°C. Temperatura powrotu wynosi 70°C. Zasilanie przebiega od poniedziałku do piątku w godzinach 8:00 do 17:00 z przepływem 10.000 kg na godzinę. Roczne zapotrzebowanie na energię wynosi 145 MWh.

Obieg grzewczy 2. W przypadku ogrzewania pomieszczeń, ze względu na wymagane temperatury 70°C/50°C przyjęto układ podnoszenia temperatury powrotu. Oznacza to że bufor będzie rozładowywany jak tylko na najwyższym czujniku temperatury pojawi się temperatura co najmniej o 5K  wyższa od temperatury powrotnej z instalacji. Nie ma żadnego dodatkowego ogrzewania bufora, roczne zapotrzebowanie na energię 165 MWh. W przypadku AquaSystemu pompa włącza się na krótko kiedy na dole zbiornika temperatura spadnie poniżej 10°C i wyłącza kiedy przekroczy 15°C. Dane pogodowe przyjęto dla Würzburg z promieniowaniem na poziomie kolektorów 1214 kWh rocznie. Od dawna sprawdzony model przedstawiono w programie COLSIM. Obliczenia przeprowadzono dla odstępów 5 sekundowych.

Parametry Próżniowo-rurowe VRK Płaskie FK
Lp Nazwa CPC-VRK, pośredni przepływ
stalowy register
VRK Heatpipe VRK bezpośredni przepływ Wielko-
powierzchniowy płaski
Podwójnie szklony
selektywny absorber
Przeciętny płaski
selektywny absorber
1 Uzysk energii 104,6 MWh
100%
85% 81% 53% 55% 37%
4 Energia zmagazynowana w buforze 98,9 MWh
100%
84% 81% 39% 52% 33%
7 Pobór z bufora
90/70
58,3 MWh
100%
78% 75% 28% 45% 22%
8 Pobór z bufora łącznie 89,7 MWh
100%
80% 76% 40% 46% 34%
9 Dni stagnacji temperaturowej 39
100%
92% 87% 36% 49% 28%
10 Czas pracy pompy 768 h
100%
184% 178% 209% 266% 248%

Okazuje się, że w takim zastosowaniu kolektory płaskie nie powinny być używane, ponieważ nawet najlepsze z nich mimo niskotemperaturowego zastosowania w zimie nie osiągnęły nawet 50% uzysku kolektorów próżniowo-rurowych. Przeciętnie kolektory płaskie dochodziły do jednej trzeciej uzysku referencyjnego mimo 2,5 raza dłuższej pracy pomp.

Większy zbiornik, czy więcej kolektorów – co jest efektywniejsze?

wykres03Do magazynowania ciepła słonecznego w FESTO służy, obok bardzo małego bufora o pojemności 17 m³ (co odpowiada 10 litrom na m²), przede wszystkim sieć lokalna. Dla instalacji referencyjnej nr 1 rozważano pojemności bufora od 4,5 m³ do 30 m³ to znaczy od 18 l/m² do 120 l/m².

Wyniki tej symulacji byłyby zbliżone także do warunków w FESTO, kiedy powiększono by bufor z 17 m³ do 34 m³, 57 m³ lub 114 m³. Dla procesu technologicznego powiększanie zbiornika niewiele by dało. Ponieważ bufor z powodu wysokiej temperatury powrotu (tu 70° C) w lecie nie jest wystarczająco opróżniany, potrzeba by absurdalnie wielkiego zbiornika, by dni bez obciążenia (w tym przypadku weekendy) przetrwać. O wiele ważniejsza jest zdolność szybkiego pokrycia zapotrzebowania, kiedy się ono pojawia.

Te wyniki nie są całkiem nowe. Już na 14 Sympozjum w Staffelstein Instytut ITW Stuttgart przedstawił wyniki symulacji dla różnych różnych wielkości buforów i powierzchni kolektorów, z których wynikało, ze także dla klasycznego przygotowania ciepłej wody i wspomagania ogrzewania kolektory próżniowo-rurowe zarówno ze znacznie mniejszym zbiornikiem jak i ze znacznie mniejszą powierzchnią potrafią osiągnąć te sam stopień pokrycia energią solarną fsav, co kolektory płaskie. Symulacja opierała się o następujące założenia: EFH wg EnEV w Würzburg z powierzchnią mieszkalną 128 m², ukierunkowanie na południe, nachylenie 45°, zapotrzebowanie na energię grzewczą 71 kWh/m²*a, regulacja pogodowa, temperatury obiegu grzewczego 50°C/30°C, dzienne zużycie ciepłej wody przy 45°C, sprawność kotła 85%, roczne zapotrzebowanie na energię 14900 kWh. Parametr fsav określa ile energii konwencjonalnej może być zaoszczędzonej dzięki instalacji solarnej.

Typ Pojemność bufora [m3] Powierzchnia kolektorów [m2] Pojemność jednostkowa [l/m2] fsav [%] Cena ciepła 2004 [EUR/kWh]
FK 1 100 10 50 0,69
VRK 1 35 29 50 0,38
FK 10 35 286 50 1,27
VRK 10 22 455 50 1,33
FK 30 28 1071 50 1,12
VRK 30 18 1667 50 1,13
FK 100 100 1000 93 1,32
VRK 30 100 300 94 1,05

We współpracy z buforem 1m3 pole kolektorów próżniowo-rurowych o powierzchni 35 m2 działa podobnie jak 100 m2 kolektorów płaskich. W przypadku bufora 30 m3, pole próżniowo-rurowe o powierzchni 100m2 działa lepiej niż pole kolektorów płaskich o tej samej powierzchni ale z buforem 100m3.

Końcowe uwagi do Programu dofinansowania MAP

Ponieważ powyższy przykład dla ciepła technologicznego kwalifikuje się jako wspomaganie ogrzewania, to bufor powinien mieć pojemność co najmniej 100 litrów/m2 kolektora lub co najmniej 25 m3 pojemności, by cała instalacja mogła być zaliczona do „innowacyjnych” i wg ostatniej wersji Programu otrzymać jakąś dotację. Uzysk kolektorów wzrósłby o około 15%, koszty instalacji wzrosłyby szacunkowo o 1/3, pomijając, że dla takiej przewymiarowanego bufora w ogóle nie ma miejsca. To jest dobry i typowy przykład, jak prawodawca w dobrej wierze może „przeregulować” i energooszczędne oraz gospodarczo sensowne rozwiązania eliminować.

Jeszcze trudniejsze do zrozumienia jest dofinansowanie kolektorów na podstawie ich powierzchni brutto. Jak pokazują charakterystyki z symulacji, dla ciepła technologicznego w FESTO potrzeba by dwukrotnie większej powierzchni słabszych kolektorów rurowych niż próżniowo-rurowych CPC, a kolektorów płaskich wielokrotnie więcej. Wg zasad programu dotacji MAP większe zapotrzebowanie na powierzchnię brutto z racji mniejszej wydajności będzie hojnie obdarowane państwową dotacją. Krótko mówiąc: im gorszy kolektor, tym większe otrzyma dofinansowanie na swoją moc. To jest krótkowzroczna i szkodliwa dla innowacyjności polityka, szczególnie że pomija kryterium efektywności, które wg zaleceń EU jest niezbędne przy dofinansowaniach.

Nie sposób nie zauważyć, że z powodu tych zasad rynek opanowywany jest przez najtańsze kolektory nawet w cenach niższych od wielkości dofinansowania. Należy to powstrzymać nie tylko z powodu marnotrawstwa pieniędzy podatników, ale i bezmyślnego marnowania potencjału solarnego. Tak jak dzisiaj prowadzi się dyskusje np. o niezbędnej powierzchni do produkcji biopaliw, tak w przyszłości będziemy musieli targować się o każdy metr kwadratowy powierzchni dachów.

Źródło: Artykuł w Heizungs Journal nr 6/2008

Autorzy

abrechtStefan Abrecht – inżynier budowy maszyn, od ponad 20 lat projektował wszystkie płaskie i próżniowo-rurowe kolektory w Paradigmie ma niekwestionowany wpływ niemal na wszystkie kolektory RitterSolar.

 

kettnerChristine Kettner – jako fizyk zajmuje się kwantową teorią pola, a w szczególności matematyczną symulacją złożonych systemów. Od 8 lat wykorzystuje swoją specjalistyczna wiedzę w Paradigmie do rozwoju i optymalizacji systemów solarnych i grzewczych.

 

meissnerRolf Meissner – fizyk, od ponad 20 lat zajmujący się magazynowaniem energii cieplnej. Od 1990 roku w Paradigmie współtwórca komponentów systemu solarnego takich jak regulacja, zbiorniki. W roku 2006 ugruntował obszar „Wielkich Solarnych Systemów Grzewczych i Ciepła Technologicznego”