Badania i RozwójSystem solarny

Odporność na stagnację warunkiem efektywnego wykorzystanie energii słonecznej do ogrzewania

Kolektory słoneczne próżniowo-rurowe CPC z wodą jako nośnikiem ciepła dostarczają prawie niezależnie od pogody i pory roku temperatury 80-160 stopni C i są całkowicie uodpornione na problemy wynikające ze stanu stagnacji nawet w przypadku zaniku napięcia. Dlatego właśnie przy tej technologii pojemność zbiornika może być optymalizowana wg dostępnego miejsca, profilu poboru energii, opłacalności, a dzięki temu nawet w najsroższą zimę przy dobrej pogodzie może być w pełni naładowany energią. Tak więc, Paradigma AquaSystem ma predyspozycje do stosowania w ogrzewaniu z wysokim udziałem Słońca.

  1. Kolektory próżniowo-rurowe CPC

Podstawą tej techniki są tzw. naczynie Dewar’a lub rury Sydney. To są dwuścienne rury z bardzo niskim podciśnieniem w przestrzeni między rurami, dokładnie tak jak w zwykłym termosie (Obraz 1). Na podstawie wieloletnich doświadczeń z termosami od 1874 roku, wiadomo, że ich żywotność waha się od 20 do 50 lat. Na powierzchni wewnętrznej rury znajduje się wysoko selektywna powłoka absorbcyjna, która przy odpowiednim natężeniu promieniowania słonecznego może rozgrzać się do temperatury stagnacji około 350 stopni C. Kiedy kolektor nie jest w stanie stagnacji, ciepło może być odbierane i transportowane cienkimi rurkami miedzianymi lub stalowymi. Zwierciadło CPC (Compound Parabolic Concentrator) gwarantuje, że stosując możliwie najmniej rur można ponad 90% powierzchni brutto  aktywnie wykorzystywać do pozyskiwania energii. Ono pozwala przede wszystkim zaoszczędzić materiały, podnieść uzysk i zmniejszyć straty ciepła. Dzięki swojej specjalnej geometrii można wykorzystać niemal całe promieniowanie bezpośrednie i rozproszone (Obraz 2).

rura-devara
Obraz 1. Rury próżniowe
05_010_2003_RGB 
Obraz 2. Zwierciadło paraboliczne CPC
Abrecht_bild3 
Obraz 3a. Charakterystyka sprawności kolektorów w zależności od nasłonecznienia i różnicy między temperaturą kolektora a otoczenia
Obraz 3b. Charakterystyka w zależności od nachylenia i odchylenia od kierunku południowego

Charakterystyka kolektora (Obraz 3) pokazuje, że dla różnicy temperatury kolektora i otoczenia wynoszącej 100 K i natężeniu promieniowania 800 W/m2 model CPC Plasma ma jeszcze 60% sprawności, a przy 400 W/m2 prawie 50%. Żeby uzyskać różnicę temperatur 75 K ze sprawnością 40% wystarczy natężenie promieniowania 250 W/m2. Promieniowanie nie musi przy tym być ciągłe. Pod warstwą śniegu około 5 cm różnica temperatury może osiągnąć poziom 50 K. Przy ciśnieniu w instalacji co najmniej 7 bar można wodę w kolektorach CPC przegrzać do 160 stopni i stosować w różnych procesach technologicznych. Również generowanie pary nie jest problemem i jest stosowane w praktyce /1/. Szczególną zaletą cylindrycznych absorberów jest uniezależnienie od kąta padania promieni słonecznych. Praktycznie oznacza to, że każdego dnia przez wiele godzin można uzyskiwać dużą moc. Przy pomocy Kalkulatora Solar Keymark (SKOC) można uzyskiwać roczne symulacje dla stałych różnic temperatur kolektora i otoczenia. (Obraz 4). Kalkulator SKOC wychodzi z założenia, że ciepło słoneczne będzie całkowicie zużyte. Wszystkie straty, poza stratami samego kolektora, nie są brane pod uwagę.

Kiedy, głównie w okresie grzewczym, zbiornik powinien być ogrzewany do temperatury 95 stopni C, to realnie średnia temperatura kolektora powinna być na poziomie 80 stopni C. Symulacje z Kalkulatora SKOC pokazują, że maksymalne uzyski w Niemczech bardzo się różnią. Pokazują również, że pokrycie plazmowe w modelach CPC Plasma ma większy wpływ na roczny uzysk, niż wynika to z wykresu charakterystyk. Okazuje się, że potrzeba 2-3 razy większej powierzchni dobrych kolektorów płaskich niż CPC, by otrzymać podobny uzysk energii. Proste i „tanie” kolektory płaskie nie znajdują zastosowania w systemach ogrzewania. Ciekawe jednak jest to, że dobre kolektory płaskie, przy średniej temperaturze 80 stopni C, często mają dwukrotnie większe roczne uzyski energii, niż odpowiadające im pola fotowoltaiczne /2/. Kolektory CPC Plasma w porównaniu do fotowoltaiki, dostarczają co najmniej 4 razy więcej energii.

Abrecht_bild4 
Obraz 4. Roczny uzysk energii solarnej w kWh/m2 powierzchni brutto w Würzburgu
(warunki pogodowe zbliżone do Katowic )
Abrecht_bild5 
Obraz 5. Zbiornik wielofunkcyjny Aqua Expresso z instalacja solarną do przygotowania ciepłej wody i częściowego ogrzewania, jako typowy schemat dla domów jedno- i dwurodzinnych
  1. Woda grzewcza w kolektorze słonecznym

Do ogrzewania energią słoneczną potrzeba kolektorów przystosowanych do warunków zimowych. Przy dzisiejszym stanie techniki są to kolektory próżniowe. Przy czym, kolektory próżniowo-rurowe CPC są najwydajniejsze, najszerzej stosowane i od 15 lat potwierdzają swoją wartość pracując w najróżniejszych warunkach na całym świecie. Lecz charakterystyki płaskich kolektorów próżniowych również pokazują świetne osiągi w zimie. Wysoka moc w zimie, to jednak nie wszystko. Instalacja solarna do ogrzewania w zimie musi przede wszystkim być pewna i uodporniona na stan stagnacji w lecie, kiedy główna część ciepła odbierana jest przez przepływ medium ciepło-nośnego. Jak dotąd nie ma w pełni skutecznego sposobu na zabezpieczenie wysokowydajnych kolektorów przed skutkami stagnacji w instalacjach z płynem niezamarzającym. Dlatego właśnie w kolektorach powinna płynąć woda. Od roku 2004 funkcjonują na rynku systemy solarne z wodą jako medium do transportu ciepła, całkowicie odporne na problemy stagnacji. Co najmniej 50.000 o wielkości od kilku do kilku tysięcy metrów kwadratowych. W zimie, przede wszystkim w nocy, niewielka część energii potrzebna jest do ochrony przed zamarznięciem. Wg badań potwierdzonych certyfikatem ITW w 2003 roku, przy temperaturach około -25°C małe instalacje zużywają 2-4% rocznego uzysku na ochronę przed zamarznięciem. W roku 2007 wykonano dokładne pomiary na dużej instalacji firmy FESTO w Stuttgarcie o powierzchni około 1300 m², która potrzebowała niecałe 2%, a jak dotąd największa instalacja w Wels/Austria zużyła zimą tylko około 1% swojego uzysku na ochronę przed zamarznięciem. Woda w kolektorach jest nie tylko najodporniejsza, najłagodniejsza dla instalacji i trwała, ale pozwala też na wyeliminowanie wymiennika ciepła, armatury niezbędnej do gromadzenia i odzysku środków ochrony przed zamarzaniem oraz armatury odpowietrzającej. Zawsze wysoka temperatura kolektorów pozwala na eliminację zaworów przełączających, mieszaczy, innych wymienników na różnych poziomach temperatur w buforze, przede wszystkim jednak ma wpływ na wielkość zbiornika. Bo, kiedy także w zimie można zbiornik nagrzać do odpowiednio wysokiej temperatury, to może on być mniejszy i zajmować mniej miejsca. Zbiornik nagrzany do temperatury 50 stopni C, niezbędnej dla ogrzewania podłogowego, musi być przynajmniej 4-5 razy większy, niż ten ładowany w ciągu dnia do temperatury 95 stopni C. Warto też zauważyć, że bufor z temperaturą 50 stopni C nie pozwala na higieniczne przygotowanie ciepłej wody użytkowej. Instalacja solarna z kolektorami próżniowo-rurowymi CPC i wodą w obiegu jest podobnie łatwa w przyłączeniu jak dodatkowy kocioł. Na obrazie 5 przedstawiono standardowy schemat z odpornym na stagnację systemem solarnym, gdzie obok kolektorów CPC zastosowano specjalny, wielofunkcyjny najwyższej klasy zbiornik buforowy, sprawdzony w tysiącach aplikacji.

Rodzaj obiegu grzewczego może dowolny, jednak oczywiście, tym efektywniejszy jest bufor, im niższa temperatura zasilania obiegu. Dogrzewanie najlepiej jest oczywiście oprzeć na przyjaznym środowisku pellecie lub drewnie w kawałkach. Mały kocioł gazowy jest chyba najwygodniejszy w eksploatacji. Można też zastosować pompę ciepła, nie jest to jednak optymalne rozwiązanie w połączeniu z kolektorami słonecznymi. Często nie osiągają wymaganych temperatur i mieszają warstwy wody o różnej temperaturze w buforze, czym zmniejszają dostępną pojemność dla kolektorów i zmniejszają stopień pokrycia energią słoneczną. Poza tym, obciążają sieć energetyczną silnymi impulsami i mają najgorszy wpływ na bilans emisji CO2 spośród wszystkich współczesnych źródeł ciepła.

Abrecht_bild6 
Obraz 6. Udział energii słonecznej w ogrzewaniu dla trzech budynków: pasywnego, niskoenergetycznego i konwencjonalnego dla 4 pojemności bufora i różnej wielkości pola kolektorów
  1. Oszczędność energii pierwotnej

Kiedy w ciągu dwóch mroźnych styczniowych dni główne źródło ciepła pozostałoby nieczynne przez jeden dzień, to oszczędność energii pierwotnej (w warunkach niemieckich) wyniosłaby około 50%. Jasno widać, że do tego potrzebny jest zapas energii, co najwyżej jednodniowy lub przynajmniej na pół dnia. Ta prosta formuła powinna być przedstawiona na początku, by pokazać, że mimo całej złożoności tej problematyki, można mówić o niej prosto i zrozumiale. Rzeczywiście, zapotrzebowanie na energię i potencjał możliwych oszczędności zależy od wielu czynników. Najważniejsze to konstrukcja budynku, położenie geograficzne, system ogrzewania, powierzchnia kolektorów i pojemność bufora. Położenie geograficzne, wg rysunku 5, może być w programie symulacyjnym dość dokładnie wybrane. Przy czym, przeliczenie wykonano dla domów: pasywnego, nisko-energetycznego i starszego, standardowego. Przyjęto 4 pojemności bufora w zależności od wielkości pola kolektorów, skierowanych na południe i ustawionych z nachyleniem 60 stopni. Wszystko to, dla domu jednorodzinnego o powierzchni mieszkalnej 160 m2, zlokalizowanego w Pforzheim. Nie przypadkowo wybrano tę miejscowość, ponieważ tam znajduje się praktycznie zrealizowana instalacja, która dla porównania przedstawiona będzie w dalszej części. Wyposażony w pole wysokowydajnych kolektorów o powierzchni 10 m2 i wielofunkcyjny zbiornik buforowy o pojemności 1100 litrów do pasywny osiągnął 60-procentowy udział energii słonecznej w ogrzewaniu, a dom standardowy (U=0,5) co najmniej 25%. Przy tej relatywnie małej powierzchni kolektorów nie da się z buforami o większej pojemności uzyskać dużo więcej energii. Wraz ze wzrastającą powierzchnią kolektorów, większe pojemności buforów pozwalają na większe uzyski roczne. Przy czym, procentowy udział energii słoneczne w ogrzewaniu rośnie znacznie szybciej ze wzrastającą powierzchnią kolektorów niż ze wzrostem pojemności bufora. Czterokrotne powiększenie pola kolektorów poprawiło dla domu pasywnego udział energii słonecznej z 33% (1100 litrów) na 50% (8800 litrów). Ośmiokrotne zwiększenie pojemności bufora tymczasem zmieniło udział z 2% (10 m2) do 15%(40m2). Lecz dom nisko-energetyczny, wyposażony w 20 m2 kolektorów również może osiągnąć 50% udział słońca w ogrzewaniu, jak również dom standardowy, tyle, że z polem o powierzchni 30 m2 i buforem około 4000 litrów. Wyniki zależą w dużej mierze od położenia geograficznego (obraz 7).

Abrecht_bild7 
Obraz 7. Udział energii słonecznej w ogrzewaniu dla domu pasywnego ze zbiornikiem Aqua Expresso 1100 i polem kolektorów próżniowo-rurowych CPC 20 m2 dla różnych lokalizacji
  1. Wskazówki do projektowania

Powiększanie pola kolektorów jest znacznie efektywniejsze niż powiększanie bufora, jak pokazuje to obraz 6. Jeżeli dodatkowo ogrzewa się kotłem na biomasę, to bufor może być znacznie większy, przynajmniej 50 litrów dodatkowej pojemności na kW mocy kotła. Może być nawet dużo więcej, jeśli chciałoby się dla komfortu zmniejszyć częstotliwość rozpalania. Jednak magazynowanie ciepła dłużej niż 2-3 dni wymaga doskonalszej, a co za tym idzie, droższej izolacji termicznej zbiorników i dużo więcej miejsca. Ponieważ relatywnie małe zbiorniki obecnie dość dużo ciepła tracą, to efektywność i czas magazynowania ma swoje granice. Więcej niż 150 litrów pojemności dla instalacji solarnej na każdy jej metr kwadratowy nie jest celowe. Instalacje glikolowe wymagają znacznie większych pojemności bufora, ponieważ tam bufor w lecie pracuje jako ochrona przed stagnacją, dodatkowo wyposaża się je w elektrycznie zasilane systemy schładzania lub wymusza miesiącami całodobową pracę pomp z pełną mocą. Z technicznego punktu widzenia instalacja solarna może być dowolnej wielkości. Dla „normalnych domów” z przygotowaniem ciepłej wody i ogrzewaniem, z ekonomicznego punktu widzenia wystarczające jest minimum 30 litrów pojemności bufora na metr kwadratowy, ponieważ przy danej powierzchni kolektorów, koszty magazynowania rosną szybciej, niż korzyści z energii. Kiedy jest wystarczająco miejsca większe bufory są mile widziane. Dla potrzeb grzewczych w okresach przejściowych i w zimie optymalne nachylenie kolektorów wynosi 60-75 stopni, a ukierunkowanie na południe. Jednak nie jest to wymóg, ponieważ system jest bardzo tolerancyjny. Między 40 a 90 stopni odchylenia na wschód lub zachód jest dopuszczalne. Na terenach o dużych opadach śniegu sugerowane jest nachylenie 60 stopni i zapewnienie dostępu w celu odśnieżenia kolektorów. Również pionowe ściany z nachyleniem kolektorów 90 stopni są bardzo pomocne w podnoszeniu udziału energii słonecznej w ogrzewaniu.
Specjalny zbiornik buforowy Aqua EXPRESSO potrafi nawet w stanie zimnym bardzo szybko przygotować ciepłą wodę, niemal po kilku minutach nasłonecznienia, ładowany wysoką temperaturą. W przypadku większości zbiorników buforowych z funkcją przygotowania ciepłej wody jest to nie do pomyślenia i może trwać wiele godzin.

  1. Pewien niecodzienny przykład

Dom na obrazie 8 w Dietlingen niedaleko Pforzheim nie jest nowy, ale futurystyczny z długą historią. Zbudowany w 1994 roku, uzyskał Europejską Nagrodę Solarpreis. Sednem koncepcji była minimalizacja powierzchni zewnętrznej budynku przy jednoczesnej optymalizacji wielkości instalacji solarnej. Osiągnięto to przez uformowanie ściany zewnętrznej w kształcie części walca o kącie 212 stopni, skierowanej głównie na południe. Ściana północna, bez okien, niemal do połowy zagłębiona jest w niewielkim zboczu. Okna 3-szybowe drewniano-aluminiowe ze zintegrowanymi żaluzjami pozwalają na bezstopniową regulację doświetlenia(U=1,1W/m2K). Powierzchnie nie przeszklone mają współczynnik strat ciepła U=0,2 W/m2K. Chronione są izolacją transparentną (TWD) o powierzchni 90 m2, która jest częścią systemu grzewczego. Wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła (sprawność powyżej 80%) wraz z kilkoma grzejnikami zapewnia wymagane 20 W/m2 mocy grzewczej. Ciepło do systemu grzewczego dostarczane jest z pola kolektorów próżniowo-rurowych CPC o powierzchni 24 m2 i kotła kondensacyjnego 10 kW.

Do dyspozycji tego pola kolektorów postawiono zbiornik Aqua EXPRESSO o pojemności 840 litrów. W roku 2011 pomiary wykazały 5500 kWh/a uzysku energii słonecznej przy zaledwie 35 litrach pojemności bufora na m2 pola kolektorów, odpowiadającej 250 kWh/m2 powierzchni czynnej. Jakkolwiek instalacja w badanym roku przez 772 godziny była w stanie stagnacji.

Obraz 9 pokazuje dobitnie, że w grudniu i styczniu bez gazu (zielone) obejść się nie można, ale też tylko przez te dwa miesiące nie było stanów stagnacji (czerwone). Najczęściej instalacja solarna dostarczała (żółte) prawie całe potrzebne ciepło. Znaczne powiększanie bufora mogłoby wyeliminować to niewielkie zużycie gazu w marcu i październiku, jednak w grudniu i styczniu zmiana była niewielka.

Abrecht_bild9
Obraz 9. Bilans energii cieplnej za rok 2011
  1. Podsumowanie

Od 2010 roku ponad 750 podobnych budynków (EFH) została wyposażona w takie systemy grzewcze jak w Solarhaus Abrecht. Wszystkie przyczyniają się do znacznych oszczędności energii pierwotnej. Paradoksalnie jednak, co ósmy z nich nie kwalifikował się do dofinansowania BAFA z powodu zbyt małego bufora. To co dobre jest dla tak modernizowanych domów, jeszcze lepsze jest dla hoteli, wspólnot mieszkaniowych, domów opieki, itp. Przy tym, stosowane są te same elementy, metody, zasady: kolektory próżniowo-rurowe CPC, zwłaszcza najnowsze z plazmową powłoką, woda jako nośnik ciepła, specjalne zbiorniki buforowe Aqua EXPRESSO, które również wykorzystują ciepło stagnacji i mogą być łączone w kaskady z innymi buforami. Symulacje i praktyczne doświadczenia pokazują, że efektywne solarne ogrzewanie z kolektorami próżniowo-rurowymi i wodą w obiegu solarnym jest najprostsze, najwydajniejsze, najekologiczniejsze i najtańsze ze wszystkich możliwych.

Co więc jest w tym systemie najlepsze? Czy tylko kolektory? One przy „naprawdę niskotemperaturowych” zastosowaniach dają większy udział słońca „tylko” o 10%-20% niż dobre wielkopowierzchniowe kolektory płaskie. To nie brzmi spektakularnie. Można jednak sformułować to inaczej: żeby z innymi kolektorami uzyskać ten sam udział energii słonecznej, stosując taki sam mały zbiornik buforowy, trzeba zainstalować 2-4 razy więcej kolektorów /4/.
Czy może przewagą jest minimalizacja: mały zbiornik, brak płynu niezamarzającego, żadnych glikoli ? To też nie jest wystarczająca przewaga.

Kluczową cechą tego systemu jest całkowita odporność na problemy stagnacji. Ponieważ tylko w systemie odpornym na stagnacje można stosować niemal dowolnie małe zbiorniki, niemal dowolnie duże pola kolektorów. Trzeba jeszcze mocno podkreślić, że Aqua System jest w pełni odporny na stagnację nawet w przypadku zaniku napięcia.
Można więc śmiało zapytać, jakim celom służą obecne zasady dofinansowania BAFA:

  • do 40 m2 → 50 litrów bufora na m2 kolektora
  • bonus efektywnościowy: od 40 m2, 100 l/m2
  • bonus „buforowy” od 40 m2 i 10 m2, 250 l/m2

Projektując instalację pod kątem jej wydajności można mieć mieszane uczucia.

Solarhaus_Abrecht


Źródło: Artykuł Sanitär&HeizungsTechnik nr 4/2013

Autor: dr Rolf Meissner, CEO Ritter XL Solar


Literatura

/1/ R. Meissner, CPC-Vakuumrohren-Kollektoranlagen fur Prozeswarme bis 160 C, Erneubare Energien Austria 4-2012, S.16

/2/ Internetseite http://www.ibc-solar.de/?id=1771

/3/ B. Lerout, R. Meissner, Aqua Expresso: Neues Frischwassersystem – ein Meilenstein i Energieeffizienz und Warmwasserkomfort, FEE Heizungsjournal Spezial, 10/2009

/4/ H. Druck, H. Muller-Steinhagen:Innovative Speicherkonzepte fur Kombianlagen mit hohen solaren Deckungsanteilen, Tagungsband Solarthermisches Symposium Staffelstein 2003