Temperatura stagnacji coraz częściej odgrywa rolę przy wyborze kolektorów słonecznych. Pojawia się bowiem jako parametr w SIWZ w przetargach publicznych. Czy powinna być jednak wykorzystywana jako kryterium doboru? – W artykule przedstawiono zagadnienie od strony wyjaśnienia przebiegu procesu stagnacji, sposobów wyznaczania temperatury stagnacji oraz ograniczania jej negatywnego wpływu.

Przebieg procesu stagnacji

W przypadku, gdy kolektor słoneczny pozbawiony jest odbioru energii użytecznej, wzrasta w nim temperatura – aż do momentu osiągnięcia stanu równowagi pomiędzy jego uzyskiem a stratami. Oznacza to, że cała pozyskana przez kolektor energia słoneczna idzie na pokrycie strat. Tym samym niemożliwe jest w tym przypadku uzyskanie jakiejkolwiek energii użytecznej, innymi słowy sprawność kolektora słonecznego jest równa zeru (η = 0). Temperatura stagnacji określana jest również mianem temperatury postojowej, gdyż przyrost temperatury kolektora zatrzymuje się.
Temperatura stagnacji jest zróżnicowana w zależności od wartości występującego natężenia promieniowania słonecznego, co można przedstawić, wykorzystując wzór na sprawność kolektora słonecznego [1], tak jak na wykresie na rys. 1. Przyjęto kolektor słoneczny o następujących parametrach: η_o = 0,8; k₁ = 3,5; k₂ = 0,005; wartość natężenia promieniowania E_s = 1000, 800, 400, 100 W/m².
Dla przedstawionego kolektora temperatura stagnacji przy pełnym nasłonecznieniu i temperaturze otoczenia rzędu 20°C przekroczy 200°C. Należy jednak zwrócić uwagę, że również przy małych wartościach nasłonecznienia oraz przy minusowej temperaturze otoczenia możliwe jest powstanie w kolektorze wysokiej temperatury. Można również zauważyć, że wzrost temperatury prowadzi do znacznego wzrostu strat cieplnych w kolektorze.

1. Krzywe sprawności kolektora słonecznego w funkcji natężenia promieniowania (rys. autora)		2. Schemat instalacji solarnej z opomiarowaniem [2]

Kolektor słoneczny o bardziej korzystnej krzywej sprawności osiąga wyższą temperaturę stagnacji niż kolektor o niższej sprawności, a co za tym idzie znajdująca się w nim ciecz solarna poddana będzie działaniu wyższej temperatury. Wyższa temperatura stagnacji wymaga od producentów kolektorów słonecznych zapewnienia większego bezpieczeństwa technicznego oraz ochrony podzespołów instalacji solarnej przed szkodliwym oddziaływaniem ekstremalnej temperatury pracy.

Tabela. 1 Charakterystyka poszczególnych faz stagnacji

Wymóg ten znajduje odzwierciedlenie w normie PN 12975-1. Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy. Kolektory słoneczne. Część 1: Wymagania ogólne. Norma uwzględnia temperaturę stagnacji w punkcie 6 dotyczącym bezpieczeństwa: Maksymalna temperatura płynu, uwzględniana przy projektowaniu kolektora słonecznego lub instalacji słonecznej, jest temperaturą stagnacji kolektora. Materiały stosowane do produkcji kolektorów słonecznych lub urządzeń instalacji wyposażonych w kolektory (naczynia wzbiorcze, zawory bezpieczeństwa itd.) powinny być dobrane z uwzględnieniem tej temperatury. Temperatura stagnacji winna być obliczana zgodnie z C.3, prEN 12975-2:2000 (Metoda 2) przy następujących parametrach klimatycznych:
– natężenie promieniowania całkowitego na powierzchnię kolektora 1000 W/m²
– temperatura otoczenia 30°C.
Proces stagnacji w kolektorze słonecznym przebiega zasadniczo w pięciu fazach [2], które obrazowo przedstawić można w formie tabeli (tab. 1). Przykładowy przebieg takiego procesu na konkretnej instalacji solarnej z kompletnym oprzyrządowaniem pomiarowym ilustrują rys. 2 i 3.

3. Przebieg procesu stagnacji z temperaturą w miejscach pomiaru [2]		4. Rozkład temperatury w obrębie pustego próżniowego kolektora słonecznego podczas stagnacji
5. Rozkład temperatury w obrębie pustego płaskiego kolektora słonecznego podczas stagnacji		6. Zabezpieczenie kolektorów próżniowych przed nadmiarem energii [http://www.elektroda.pl/rtvforum]

Pomiar temperatury stagnacji

W sprawozdaniach z badań kolektorów słonecznych podawana jest temperatura stagnacji określana najczęściej metodą zgodną ze wskazaniami normy PN 12975-1. Ponieważ metoda ta budzi zastrzeżenia, powołano do życia – w ramach Instytucji Intelligent Energy Europe [3] – zespół ekspertów QAiST (dot. zapewnienia jakości w słonecznych technologiach grzewczych i chłodniczych), który opracować ma bardziej obiektywny sposób pomiaru.

Zależność i parametry
Kierując się dotychczasowymi zapisami normy, temperaturę stagnacji tStg wyznacza się metodą ekstrapolacji wyników badań przy wykorzystaniu następującej zależności:

gdzie:
t_Stg – temperatura stagnacji dla wybranej wartości natężenia promieniowania słonecznego oraz temperatury otoczenia;
t_as – wybrana wartość temperatury otoczenia;
G_s – wybrana wartość natężenia promieniowania słonecznego;
G_m – pomierzona wartość natężenia promieniowania słonecznego;
t_sm – pomierzona wartość temperatury absorbera;
t_am – pomierzona wartość temperatury otaczającego powietrza.
Należy zauważyć, że wyżej wymieniona zależność na temperaturę stagnacji bazuje na założeniu, że składnik (t_sm – t_am)/G_m przyjmuje tałą wartość w stanie stacjonarnym warunków stagnacji kolektora słonecznego. Ekstrapolacji wyników można dokonywać pod warunkiem, że wartość natężenia promieniowania G_m w trakcie testów nie różni się więcej niż 10% od natężenia ustalonego jako stagnacyjne G_s.

Umieszczenie czujników
Lokalizacja czujników temperatury, które wykorzystywane są przy określaniu temperatury stagnacji, jest opisana m.in. w normie EN 12975- 2:2006 w rozdziałach: 5.3.2. – test odporności na działanie wysokiej temperatury, 5.5.2. – test zewnętrznego szoku termicznego oraz 5.6.2. – test wewnętrznego szoku termicznego. Położenie czujnika jest w tym przypadku identyczne. Norma mówi, że czujnik temperatury musi być umieszczony na absorberze kolektora słonecznego, na 2/3 jego wysokości i w połowie szerokości. Czujnik musi być tak przymocowany, aby zapewniony był dobry kontakt cieplny z absorberem. Powinien być osłonięty przed działaniem promieniowania słonecznego. Jedynym problemem jest usytuowanie czujnika w przypadku kolektorów próżniowych, gdyż pozycja ta nie jest precyzyjnie opisana.

Propozycje zmian
Prace ekspertów QAiST idą w kierunku zmian w normie EN 12975-2:2006. Zaproponowano, aby w aneksie znalazł się zapis o ustalaniu temperatury stagnacji w oparciu o krzywą wydajności oraz przez pomiar i ekstrapolację. Jeżeli chodzi o pomiar i ekstrapolację, to pozostawiono zapis o umiejscowieniu czujnika temperatury w kolektorach płaskich, a dla kolektorów próżniowych proponuje się, aby czujnik znajdował się w konkretnym położeniu, dokładnie opisanym w opisie rezultatów testu. Temperaturę stagnacji określa się jak wyżej.
W przypadku określania temperatury stagnacji z wykorzystaniem testu wydajności kolektora słonecznego wyznacza się ją z następującego wzoru:

gdzie:
η_o, a₁, a₂ – wartości sprawności optycznej oraz współczynników strat ustalone w trakcie badania wydajności kolektora słonecznego.
Ponieważ w trakcie testów wydajności występuje większa prędkość wiatru niż przy stagnacji, ustalono, że dodanie 20°C skompensuje tę różnicę.

Temperatura stagnacji w kolektorze pustym i napełnionym

Przedstawiona powyżej metoda określania temperatury stagnacji z wykorzystaniem krzywej sprawności/wydajności kolektora słonecznego została wprowadzona, aby poprawić zapisy normy. Ustalanie temperatury stagnacji w oparciu o temperaturę pustego absorbera prowadzi bowiem do szeregu nieporozumień.

Skąd te nieporozumienia?
Po pierwsze: sposób pomiaru temperatury w konkretnym miejscu w płaskim kolektorze słonecznym powoduje, że w jednych kolektorach mierzy się temperaturę cienkiej blachy absorbera, która styka się w tym miejscu lub w jej pobliżu z rurką przepływową, w innych kolektorach mierzy się temperaturę blachy w miejscu, od którego rurki przepływowe są oddalone. Wynik pomiaru będzie więc inny, przy tych samych warunkach testu. Po drugie: pomiar temperatury w pustym kolektorze z jednym otwartym króćcem zupełnie nie oddaje rzeczywistych warunków pracy kolektora słonecznego. Nie uwzględnia bowiem zjawiska opróżniania się kolektora słonecznego, które stanowi jedną z faz procesu stagnacji.
Różnice w kształtowaniu się temperatury obrazują rysunki: dla kolektora próżniowego (rys. 4) oraz płaskiego (rys. 5), w obu przypadkach kolektory są puste [4]. Nietrudno zauważyć, że wysoka temperatura stagnacji nie sięga w przypadku badania pustych kolektorów na dużą odległość, tak jak to ma miejsce w przypadku kolektorów napełnionych cieczą. W badaniach [4] wykazano znaczną różnicę w kształtowaniu się poziomu i rozkładu temperatury w instalacji napełnionej cieczą w stosunku do instalacji pustej. Dodatkowo, wykazano znaczące różnice w przypadku badania kolektorów napełnionych wodą oraz kolektorów napełnionych cieczą solarną o zawartości 40% glikolu- .W przypadku badania kolektorów napełnionych cieczą solarną stwierdzono maksymalną temperaturę w przewodach w odległości 2 m od nich, na poziomie temperatury pary nasyconej. Na króćcach oraz złączkach między kolektorami występowała temperatura wyższa od temperatury pary nasyconej, przykładowo 160-190°C, przy temperaturze pary nasyconej 130°C. Temperatura absorbera wahała się od temperatury nasycenia par glikolu do temperatury stagnacji. W trakcie stagnacji w fazie IV dochodzi do zwiększania się koncentracji glikolu w cieczy pozostałej w kolektorach, co prowadzi do znacznego przyspieszenia starzenia się glikolu w wyniku jego nadmiernego obciążenia cieplnego.

7. Patent USA nr 5,241,950 wykorzystywany w próżniowym kolektorze słonecznym
8. Odprowadzanie nadmiaru energii z instalacji solarnej (www.wagner-solar.com)

Ograniczanie wpływu stagnacji

Podczas projektowania instalacji solarnej powinno się zadbać o logiczną koncepcję ograniczania stagnacji. Oto kilka wskazówek:

• kolektory słoneczne powinny być przebadane pod kątem zachowania się w trakcie stagnacji, a absorbery wykonane w sposób ograniczający nadmierne obciążenia temperaturowe;
• pod kątem stagnacji należy przeanalizować także ciśnienie w instalacji;
• zasięg rozprzestrzeniania się pary mogą ograniczać elementy typu zasuwy; niezbędne jest oczywiście stosowanie komponentów instalacji, które wytrzymają temperaturę tej pary;
• można wprowadzić do instalacji naczynia wstępne, radiatory, rury żebrowane jako naturalne odprowadzenie nadmiaru ciepła;
• zastosowanie kolektorów próżniowych z dolną komorą zbiorczą również sprzyja ograniczeniu obciążenia temperaturowego dzięki łatwiejszemu ich opróżnianiu się;
• kolejne sposoby zabezpieczania to wychładzanie kolektorów płaskich w nocy czy przysłanianie kolektorów próżniowych (rys. 6).

Zabezpieczenie przed zjawiskiem stagnacji można także osiągnąć przez skonstruowanie kolektora słonecznego, który będzie pracował z bardzo wysoką sprawnością w zakresie normalnej temperatury roboczej (np. do 150°C), po czym nastąpi jego „wyłączenie”, a co za tym idzie ograniczenie temperaa)
b)
tury stagnacji w wyniku gwałtownego spadku sprawności. Rozwiązanie takie jest dostępne na rynku np. w postaci kolektora słonecznego typu heat-pipe z zamontowanym bezpiecznikiem temperaturowym w skraplaczu. Bezpiecznik ten (rys. 7) – w formie zaworu zwrotnego – zamyka dopływ gorącego medium grzewczego z rurki heat-pipe do skraplacza. Tym samym niemożliwy jest dalszy wzrost temperatury medium grzewczego w kolektorze. Odprowadzanie nadmiaru energii bezpośrednio z rurociągu solarnego do przygotowanego w tym celu odbiornika (rys. 8a) lub kierowanie nadmiaru ciepła ze zbiornika ciepłej wody użytkowej do instalacji grzewczej (rys. 8b) to kolejne sposoby walki ze stagnacją.

Trudno o obiektywne porównania

Temperatura stagnacji nie powinna być parametrem decydującym o wyborze kolektora słonecznego. Obecny sposób pomiaru według normy nie pozwala na obiektywne porównanie wartości wyznaczonej temperatury stagnacji. Brakuje informacji między innymi o medium i ciśnieniu roboczym wykorzystywanym podczas badań wydajności kolektorów, co uniemożliwia również, zdaniem autora, ustalanie temperatury stagnacji za pośrednictwem wzoru podanego przez ekspertów QaiST.

Autor: Jerzy Chodura

Kolejna część już jutro.

Cykl warsztatów instalatora OZE to projekt edukacyjny przygotowywany we współpracy redakcji Polskiego Instalatora oraz Polskiej Korporacji Techniki Sanitarnej, Grzewczej, Gazowej i Klimatyzacji – z dużymi firmami z branży OZE, mającymi bogate doświadczenie projektowe, produkcyjne, montażowe i serwisowe. Kierujemy go do projektantów i wykonawców instalacji OZE, a być może także docelowych użytkowników. Kontynuujemy cykl o kolektorach z firmą Viessmann.

Poprzednie części:

1. Budowa kolektorów słonecznych i ich najważniejsze parametry
2. Znaczenie miejsca montażu termicznych instalacji solarnych
3. Dobór poszczególnych elementów instalacji solarnej
4. Połączenie i uruchomienie instalacji solarnej
5. Przeglądy i konserwacje instalacji solarnych
6. Analiza ekonomiczna – opłacalność inwestycji