Automatyka/elektronika w systemach ogrzewania cz.9 - Kolektory solarne

Czarny pijar dla ogrzewania solarnego prowadzą często firmy handlujące fotowoltaiką, zwracając uwagę na problemy z instalacjami solarnymi, a nie pokazując, że istnieją technologie oraz rozwiązania konstrukcyjne usuwające takie wady. Jak pokażemy w dalszej części artykułu, obie technologie nie tylko się nie wykluczają, a wręcz uzupełniają.

Ponadto prawidłowo wykonana i eksploatowana instalacja solarna jest zdecydowanie najtańszym źródłem ciepłej wody użytkowej. Nowoczesne regulatory solarne obsługują wiele schematów hydraulicznych instalacji, a wybór obsługiwanego schematu wykonuje się w menu serwisowym. Przykład takiego regulatora pokazano na fotografii 1.

Fot.1 Nowoczesny regulator solarny

Budowa i działanie - kolektory solarne

Każdy z nas zauważył, że przedmiot o ciemnej barwie wystawiony na działanie słońca nagrzewa się znacznie powyżej temperatury otoczenia. Już nasi rodzice, świadomie czy nie, wykorzystywali ogrzewanie solarne, choćby w postaci zasobników na wodę pomalowanych na ciemny kolor umieszczonych na podwyższeniu na podwórku. Przykład znajdziesz na fotografii 2. Rozwiązanie takie jest popularne w krajach o ciepłym klimacie.

Sercem „prawdziwego” układu solarnego są kolektory solarne. Kolektory pokryte są materiałem absorbującym promieniowanie świetlne i zamieniającym je na energię cieplną. Materiał absorbujący pochłania nie tylko promieniowanie widzialne, ale i podczerwone, które znacznie łatwiej przechodzi przez chmury, a jest dla ludzkiego oka niewidzialne. Solary produkują ciepło również wtedy, gdy słońce zakryte jest chmurami, choć z mniejszą efektywnością.

Fot.2 Zasobnik na wodę

Kolektory solarne wykonuje się jako kolektory płaskie oraz próżniowe (rurowe). Kolektory płaskie mają postać tafli zabezpieczonej od dołu metalową blachą oraz redukującą straty ciepła wełną mineralną, a od góry szybą – fotografia 3. Kolektory próżniowe mają postać walca z absorberem i znajdują się w przezroczystej rurze szklanej. Pomiędzy dwoma elementami kolektora jest próżnia, która zmniejsza straty ciepła. Wybór między oboma typami kolektorów jest dość trudny, choć na pierwszy rzut oka mogłoby się wydawać, że kolektory próżniowe są znacznie lepszym wyborem.

Fot.3 Kolektory płaskie

W praktyce tak nie jest, szczególnie jeśli uwzględni się koszt zakupu kolektorów próżniowych i płaskich oraz porówna czas zwrotu inwestycji. Ze względu na specyfikę działania układu ogrzewanie solarne jest najbardziej skuteczne w okresie od późnej wiosny do wczesnej jesieni. Poza tym okresem skuteczność ogrzewania solarnego zdecydowanie spada, ale mimo to pozwala uzyskać znaczące ilości ciepła. Szacuje się, że prawidłowo wykonany układ solarny może zaspokoić od 60 do 70 procent rocznego zapotrzebowania na CWU. Przykład uzysków ciepła zarejestrowanych w kwietniu 2019 pokazany jest na rysunku 4.

Rys.4 Uzyski ciepła zarejestrowane w kwietniu 2019

Ciepło od kolektora odbiera przepływający przez niego czynnik. Substancja taka musi mieć kilka ważnych cech: niską temperaturę zamarzania (należy pamiętać, że panele solarne pracują na zewnątrz przez cały rok) oraz odporność na wysokie temperatury. Wymaganie te najlepiej spełniają wodne roztwory glikoli. W zależności od składu płynu solarnego, ma on różne właściwości, w tym temperaturę zamarzania, gęstość i ciepło właściwe.

Zależnie od stężenia zastosowanego roztworu glikolu charakteryzuje się on różną temperaturą zamarzania w zakresie od –15 do nawet –35 stopni Celsjusza, co zabezpiecza przed zamarznięciem czynnika w instalacji. Zamarznięciu glikolu można również przeciwdziałać, podgrzewając go ciepłą wodą zawartą w zasobniku CWU.

Rys.5 Czynnik solarny płynie przez wężownicę zanurzoną w zbiorniku z wodą

Przepływ czynnika solarnego wymusza pompa obiegowa. Czynnik solarny płynie przez wężownicę zanurzoną w zbiorniku z wodą, do której oddaje ciepło – rysunek 5. Praca takiej instalacji w jednym z tygodni lipca 2018 pokazana jest na rysunku 6. Kluczem dla uzyskania dużej sprawności instalacji solarnej jest odpowiednia szybkość przepływu glikolu.

Zbyt niska szybkość przepływu powoduje za mały odbiór ciepła z kolektora, przegrzewanie absorbera kolektora i większe straty ciepła. Szybki przepływ zwiększa sprawność, ale ogranicza maksymalną temperaturę, do jakiej można nagrzać zasobnik CWU oraz powoduje konieczność zastosowania pompy o większej mocy, a więc zużywającej więcej prądu, co z kolei zwiększa koszty eksploatacji układu. Wybór mocy pompy, zadana różnica temperatur między zasilaniem i powrotem glikolu jest kompromisem między sprawnością układu a zużyciem energii elektrycznej.

Opis

Zasadniczy wpływ na temperaturę czynnika ma wartość mocy energii słonecznej docierającej do panelu. Wielkość ta jest bardzo zmienna i zależna od pory dnia, roku czy zachmurzenia. Największe znaczenie jednak ma prawidłowe ustawienie paneli pod odpowiednim kątem oraz względem stron świata – w zależności od tych parametrów różnice w uzysku ciepła mogą sięgać kilkudziesięciu procent.

Samo działanie układu solarnego jest bardzo proste: gdy zostanie osiągnięta zadana różnica temperatur pomiędzy ciepłą wodą użytkową a kolektorem solarnym, włączamy pompę obiegową i przekazujemy ciepło do zasobnika CWU. Gdy różnica temperatur między temperaturą panelu a temperaturą CWU jest zbyt mała, pompę obiegową wyłączamy.

Aby utrzymać zadaną różnicę temperatur między zasobnikiem CWU a czynnikiem solarnym, stosuje się pompy obiegowe o regulowanej wydajności. Pompy te płynnie zmieniają swoją prędkość obrotową, aby uzyskać jak największą sprawność układu bez względu na intensywność promieniowania słonecznego docierającego do panelu. Pompy obiegowe sterowane są za pomocą sygnału PWM.

W pompach solarnych wzrostowi współczynnika wypełnienia sygnału sterującego odpowiada wzrost prędkości obrotowej pompy. W przypadku pomp modulowanych sygnałem PWM, używanych w instalacjach grzewczych np. w pompach ciepła, stosuje się pompy o odwróconej charakterystyce, w której wzrostowi współczynnika wypełnienia odpowiada zmniejszenie prędkości obrotowej pompy.

Najważniejszym problemem, z jakim spotkamy się w instalacjach solarnych, jest przegrzewanie absorbera i glikolu. Glikol jest cieczą o nietypowych właściwościach – powyżej 110 stopni zaczyna gęstnieć, by powyżej 150 stopni Celsjusza zamienić się w lepką maź. Próba „przepchnięcia” takiej mazi za pomocą pompy może spowodować jej uszkodzenie.

Dodatkowo powyżej 120 stopni Celsjusza glikol zaczyna się nieodwracalnie rozkładać, a produkty rozkładu osadzają się szczególnie w rurkach absorbera, ograniczając natężenie przepływu, a tym samym zwiększając tendencję do przegrzewania panelu w późniejszym okresie. Regulatory solarne starają się zapobiec przegrzewaniu glikolu, podgrzewając wodę w zasobniku do maksymalnej dopuszczalnej temperatury nawet kosztem przekroczenia temperatury optymalnej z punktu widzenia użytkownika. Wymaga to nieco większej ostrożności przy korzystaniu z solarnego układu CWU niż w przypadku innych źródeł CWU ze względu na większe wahania temperatury wody.

Przegrzewaniu glikolu zapobiega się na kilka sposobów: upuszczając nadmiar gorącej wody z zasobnika CWU do kanalizacji tak, by móc zawsze odbierać ciepło z paneli, wykorzystując solary do podgrzewania nie tylko CWU, ale i wody basenowej (w tym wypadku przegrzanie kolektora jest niemożliwe ze względu na olbrzymią pojemność cieplną nawet małego basenu), wykorzystując instalację grzewczą do schładzania zasobnika CWU w przypadku sprzężenia zestawu solarnego z kotłem, magazynując nadmiar ciepła w buforze czy wreszcie najbardziej popularne rozwiązanie polegające na wymuszeniu przepływu czynnika w godzinach nocnych przez kolektor tak, by schłodzić wodę zawartą w zasobniku CWU.

Parametry schładzania nocnego są tak dobrane, by zasobnika zbytnio nie wychłodzić, a samo schładzanie aktywowane jest w późnych godzinach nocnych, gdy już nikt z ciepłej wody nie korzysta. Regulator schładza wodę w zasobniku tylko wtedy, gdy ma ona zbyt wysoką temperaturę. W przypadku naszej nieobecności w domu funkcja schładzania powinna być zawsze aktywowana lub powinien być aktywowany tryb urlopowy (w tym trybie schładzanie nocne jest zawsze aktywne). Schładzanie nocne jest mało skuteczne w przypadku kolektorów próżniowych ze względu na niskie straty ciepła w nich występujące.

Nowe generacje kolektorów mają różne rozwiązania, pozwalające uniknąć problemu przegrzewania glikolu, np. w układach próżniowych stosuje się technologię heat pipe znaną choćby z chłodzenia elementów komputerowych. W układach heat pipe glikol nie ma bezpośredniego kontaktu z absorberem, a jedynie odbiera ciepło z kondensatorów poszczególnych rurek cieplnych, gdzie nośnik ciepła skrapla się, oddając ciepło. Powyżej pewnej temperatury nie zachodzi już proces skraplania, a tym samym ciepło nie jest przekazywane do glikolu.

Układy tego typu miały w początkowej fazie obecności na rynku szereg wad konstrukcyjnych, które jednak zostały już wyeliminowane. W kolektorach płaskich stosuje się absorbery redukujące zdolność pochłaniania promieniowania w podwyższonych temperaturach albo rolety przesłaniające kolektor. Kolektory słoneczne często montuje się na obu stronach dachów dwuspadowych (rysunek 7).

Rys.7 Kolektory słoneczne często montuje się na obu stronach dachów dwuspadowych

Pozwala to zmaksymalizować uzysk ciepła z kolektorów w ciągu dnia. Bardzo często zbiornik CWU jest wyposażony w dodatkową wężownicę, umieszczoną na górze zbiornika, dzięki której można podłączyć go do kotła np. gazowego (rysunek 8). Na rysunku 8 pokazane są rzeczywiste parametry pracy instalacji (marzec, godziny wieczorne). Kocioł gazowy grzeje zasobnik tylko wtedy, gdy nie możemy go ogrzać do wystarczającej temperatury za pomocą promieniowania słonecznego (np. w okresie zimowym, w nocy).

Drugim alternatywnym rozwiązaniem stosowanym do podgrzewania zasobnika CWU jest zastosowanie grzałki elektrycznej wbudowanej do zasobnika CWU. W tym wypadku bardzo często grzałka podgrzewa zasobnik CWU tylko do minimalnej temperatury zapewniającej minimalny akceptowalny komfort ciepłej wody, a wyższe temperatury uzyskiwane są za pomocą kolektora słonecznego. W celu oszczędności energii elektrycznej, dostępne są harmonogramy czasowe, dzięki którym użytkownik ma możliwość określenia minimalnej akceptowalnej temperatury CWU w poszczególnych okresach doby.

Rys.8 Zbiornik CWU jest wyposażony w dodatkową wężownicę

Regulatory solarne obsługują również pracę pompy cyrkulacyjnej, a w przypadku schematów z grzałką elektryczną mają możliwość dezynfekcji zasobnika CWU. Praktycznie wszystkie regulatory solarne potrafi ą rejestrować aktualnie wytworzoną moc cieplną oraz mają rejestrację historii uzysków ciepła. Wiele regulatorów ma również możliwość wybrania trybu ekonomicznego, w którym wyłącza dodatkowe źródło ciepła, gdy solar dostarcza ciepło do zasobnika CWU, nawet gdy minimalna akceptowalna temperatura zasobnika nie została jeszcze osiągnięta. W przypadku, gdy zależy nam na jak największym komforcie korzystania z ciepłej wody, tryb ekonomiczny należy wyłączyć.

Układy solarne mierzą często małe różnice temperatur, a sam przewód przy solarze narażony jest na duże wahania temperatury. W związku z tym ważne jest, by czujniki solarów były odpowiedniej jakości. W przypadku czujnika kolektora warto uwzględnić ewentualny błąd pomiaru temperatury wnoszony przez przewód pomiarowy, gdyż jego długość często przekracza dziesięć metrów. Wiele regulatorów ma możliwość dokonania korekty błędu pomiaru wywołanego długością przewodu w menu serwisowym.

Mimo że wykonanie instalacji solarnej wydaje się stosunkowo proste, autor stanowczo odradza wykonanie tej czynności samodzielnie. Liczba błędów konstrukcyjnych, jakie można popełnić przy wykonaniu i projekcie takiej instalacji, jest naprawdę duża. Kluczowy dla poprawnego działania układu solarnego jest prawidłowy projekt instalacji uwzględniającej prawidłowe oszacowanie zużycia ciepłej wody użytkowej oraz zgodne z zasadami sztuki jej wykonanie.

Ryzyko przegrzania kolektora zwiększają zbyt duża powierzchnia paneli słonecznych w stosunku do zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową, posiadany zbyt mały zasobnik CWU lub brak rozbioru ciepłej wody użytkowej w ciągu dnia. W przypadku zasobnika zbyt dużego w stosunku do powierzchni kolektorów nie otrzymamy wody o satysfakcjonującej temperaturze. Zbiornik i powierzchnia kolektorów powinna być dobrane do zapotrzebowania użytkowników na ciepłą wodę.

Dużą uwagę należy poświęcić również prawidłowemu wykonaniu izolacji doprowadzającej podgrzany w kolektorze czynnik do wężownicy zasobnika CWU, a to ze względu na fakt, że część orurowania narażona jest na oddziaływanie temperatury zewnętrznej. Tak jak w przypadku innych zasobników CWU, tak i w przypadku instalacji solarnych stosuje się do ochrony zasobnika przed korozją anodę magnezową lub tytanową.

W następnej części artykułu omówimy instalacje rekuperacyjne odzyskujące ciepło z wentylacji. Autor dziękuje za uwagi Kolegom: Markowi Malesińskiemu, Łukaszowi Ostaszewskiemu i Sebastianowi Matejczukowi.