TECHNIKAI SEGÉDLET Szolár kollektorok üzemeltetéséhez
Vákuumcsöves napkollektor 6 legfontosabb eleme: 1. vákuumcső 2. réz hőcső kondenzátorral 3. réz hőgyűjtő idom 4. szigetelt burkolat
1.
Vákuumcső
gyűjtő
antireflexiós réteg szoláris abszorber réteg infravörös reflexiós réteg báriumgyűrű
A vákuumcső 2 külön álló csőből, egy 58 és egy 48 mm átmérőjű boroszilikát üvegből készítenek, mely kiválóan ellenáll a jégesőnek is. A belső cső (48 mm átmérő) külső felületét speciális bevonattal látják el (Al-N/Al). Ezeket a beonatokat bediffundálják az üveg felületébe, majd ezután összeolvasszák a 2 üvegcső száját és alul a levegőt kiszippantják belőle (5x10-3 Pa). A vákuum kiváló hőszigetelő, lásd: teatermosz. Tehát a nap sugarainak a hőenergiáját a szoláris abszorber bevonat begyűjti, a vákuum pedig szigeteli, úgyhogy nagyon min a környezetbe való kisugárzása a hőnek (ha az üveg belsejében + 180 oC van, akkor is szabad kézzel megérinthető az üvegcső külső fala). A jó hőszigetelésnek jelentősége főleg a téli és átmeneti évszakokban van, ahol a szórt fény hatására jelentős energiatöbbletet produkál más kollektorokhoz képest vákuumcsővel. Így pl alacsony környezeti hőmérsékletnél is, pl -25 oC-nál a napsugarakat elnyeli, hővé alakítva a környezeti hőmérséklettől elszigetelve maximálisan továbbítja a vákuumcsőben lévő rézhőcsőnek (heat pipe).
1. belső cső
2. abszorber bevonat 3. vákuumtér
Üvegcső reflexió 7,5%
4. külső cső
5. klipsz
6. bárium bevonat
Napsugárzás 100%
A vákuumcső hengeres formájából és egymás mellé bizonyos távolságokban történő szereléséből adódóan a napsugárzás hosszabb ideig, reggeltől estig közvetlenül éri merőlegesen az abszorbert, így nagyobb hatékonyságot eredményez a kora reggeli és késő esti órákban is.
7. bárium gyűrű
Üvegcső elnyelése 1,8%
100% 90,7%
Bevonat reflexió 6,3%
Bevonat hőkibocsátása 4,4% 7,5%
80%
-5
vákuumnyomás < 10 Bar
20o
jégesőálló boroszilikát üveg
90o
20o
Két üvegréteg között lévő stabil vákuum megtartása érdekében a vákuumcső alján egy rögzítő bárium gyűrűt helyezünk el. A technológia során ezt a gyűrűt magas hőmérsékletnek tesszük ki és vékony báriumréteg kerül a vákuumcső aljára. Ez a báriumréteg nyeli el a hőmérsékletkülömbség során keletkező gázokat, megőrízve a vákuumot a csőben. A vékony fémes réteg mutatja a csőben van vagy nincs vákuum. A tejszerűen elfehéredett csőben nincs vákuum. Valószínűleg mechanikai hatás következtében megsérült.
2.
Rézhőcső kondenzátorral (heat pipe)
gyűjtőcső
szigetelt burkolat záródugó hőcső (heat pipe) sugárzó hőtömeg alacsony forráspontú folyadék a már lecsapódott folyadék
Működési elv: minőségileg kontrolált, kimondottan ehhez a technológiához használatos, nagy tisztaságú rézcsőben alacsony forráspontú folyadékot töltünk és vákuumot képezünk. Tengerszint magasságában a víz 100 oC-on forr. Vákuum-légritka térben vagy hegy tetején a nyomáskülömbségnek köszönhetően ennél alacsonyabb hőmérsékleten már forrásnak indul. Ennek az elvnek az alapján a hőcsőben képzett vákuum és az alacsony forráspontú folyadék kombinációjával 20-30 oC-on a párolgás elindul. Tehát a vákuumcsőben összegyűjtött és az aluminium fűtőborda segítségével továbbított energia elkezdi hevíteni a hőcsővet, melyben a folyadék forrás következtében gőzzé alakul és lecsapódik a kondenzátorban, melyet a gyűjtőcsövekben mozgásban levő folyadéknak folyamatosan továbbad. Hőcső belsejében folyamatos cirkuláció megy végbe (a kondenzátorban lecsapódott folyadék visszagurul a hőcső aljába és a folyamat kezdődik előlről).
3.
Réz hőgyűjtő idom
Tehát a vákuumcsőben keletkezett hőenergiát a hőcső a kondenzátor segítségével kiszállítja és átadja a réz hőgyűjtő idomban cirkuláló hőtovábbító folyadék kőzegnek (Tyfocol), drain-back rendszer esetén akár víz is lehet. Ez a folyadék a tárolóban lévő vízteret melegíti, ahonnan lehűlve energiáját a használati víznek átadva tér vissza. A napkollektorokban mindig ugyanaz a folyadék kering, ezért zárt rendszernek nevezzük. A hatékonyságot növeli, hogy a kondenzátor nagyobb átmérővel rendelkezik, így nagyobb felületen adja le a hőmennyiséget. A réz hőgyűjtő idomnak szerelési dőlésszöge nem lehet kisebb o 25 -nál. A hőgyűjtő idom kialakítása olyan, hogy a hőcső kondenzátora nem érintkezik közvetlen a továbbító folyadékkal. Réz kondenzátor a hőgyűjtő idom falával érintkezik, hővezető pasztával szerelve. Szerelhetősége igen egyszerű, külön egységként telepíthető, meghibásodás esetén is igen egyszerűen, a rendszer bontása nélkül cserélhető, akár a hőcső, akár a vákuumcső.
4.
Szigetelt burkolat
Fontos megfelelő szigetelése, minél kevesebb hőt adjon le a környezetének. Burkolatba csatlakozó szerelvények UV álló gumiból készüljenek.
Síkkollektorok A termékcsaládot hivatott dícsérni, hogy mindegyik jó hatásfokkal és időjárásállósággal rendelkezik.
Felépítése: 3 mm alumínium ház, melyben 50 mm kőzetgyapot szigetelés akadályozza a hőveszteséget. Ez felett helyezkedik el a rézcsőrendszer, melyre egy speciális bevonattal rendelkező rézabszorber lemezt rögzítünk. A napkollektorok egyik legfontosabb eleme az ún. abszorber lemez. Ennek a feladata a napsugárzás elnyelése és hővé alakítása, valamint a keletkezett hő átadása a kollektorban keringő munkakőzegnek. A napsugárzást minden fekete színű és matt felületű anyag jó hatásfokkal elnyel, azonban ha a környezeti hőmérséklet fölé melegednek, maguk is sugárzóvá válnak, ami veszteséget jelent. A jó hatásfok érdekében az abszorber lemezt ún. szelektív abszorber bevonattal látják el, melyek a rövid hullámhosszú napsugárzást elnyelik, míg a saját hosszúhullámú sugárzásukat nem engedik át, azt visszaverik. Szelektív bevonatként titánium oxid rétegeket alkalmaznak, a szelektív bevonat 1-2 µm vastagságú, sötét kék porrózus réteg. Ez az abszorberlemez gyűjti össze a nap sugaraiból az energiát és adja tovább a rézcsőrendszerben lévő hőtovábbító folyadéknak. A hőveszteség csökkentése érdekében minél kisebb távolságot kell hagyni az abszorberlemez és az üveg között, bár a veszteség így is nagymértékű.
8%
10% 11%
8%
90%
2%
56%
5%
Fedőlap tömítése biytosítja a hősyigetelést, nedvesség bejutás elleni védelmet. Üvegfedés szigetelése csökkenti az abszorberlemez konduktív hőveszteséget. Gyakran használnak antireflexiós szolát üveget. Hátránya, hogy a prizmák között por és szennyeződés, lerakódás idővel rontja a hatásfokot. Ezért javasol alacsony vastartalmú, magas fényáteresztő képességű üveg. Napkollektor hatásfoka =
hasznosított hőenergia kollektorfelületre érkező napsugárzás Hatásfokot abszorber felületre szokás megadni. A hatásfok javítása érdekében szolár üveget és speciális ragasztást kell használni. A kollektor veszteségét: 3. optikai 4. hőveszteségre oszthatjuk Optikai: az üvegfelületről és az abszorberfelületről történő visszaverődés. Hőveszteség: a napsugárzás hatására felmelegedett abszorberlemez sugárzása (konvekció és hőátadás útján létrejövő veszteségei). Ezeket a környezeti hőmérséklet erősen befolyásolja (télen nagyobb). A síkkollektor nagy hőveszteségén kívüli hátránya a szerelhetősége, illetve a javítása, mely a helyszínen nehezen kivitelezhető. Ennek ellenére javasoljuk főleg nyári időszakokban. Használatos pl nyaralóknál, szállodáknál melegvíz készítéséhez, tekintettel az ebben az időszakban kifejtett hatékonysága és alacsony üresjárati hőmérséklete miatt.
Abszorber réteg
Feketére festett lemez
Hatásfok Napfény besugárzása átlagos nyári napon 1000-1300 W/m2. Átlagos nyári hónapban számolva kb. 3-5,2 kW/m2/nap számolhatunk. A mostani tapasztalatok szerint 1 kWh/m2/nap = 3,6 MJ/m2/nap. A napkollektorok hatásfoka nem állandó, pillanatnyi érték függ a sugárzástól, valamint a környezet és kollektor hőmérsékletétől. Ezért, hogy egy hatásfok értékkel minősíthető legyen, egy jellegzetes üzemmódra vonatkozó pontjával szokás megadni. A megfelelő mennyiségű, illetve méretezésű kollektorok megválasztásánál fontos a kollektorok elhelyezésének tájolása, dőlésszöge, valamint a szükséges energiaigény (melegvíz, fűtésrásegítés vagy medencefűtés) meghatározása. Minél nagyobb a kollektorfelület, természetesen annál nagyobb vízmennyiséget tudunk előállítani, de célszerű ezt nem túlzásba vinni. A nyáron képződő fölösleges hőmennyiséget túlméretezés esetén valahova el kell tárolnunk. Tervezésnél figyelembe kell vennünk, hogy a megcélzott melegvíz hőmérséklet o o általában 50-60 C körül kell legyen, fürdés közben 35-45 C-os vizet használunk. Minden egyes rendszer telepítésénél szükséges egy helyszíni felmérés, mely alapján egy számítógépes program segítségével pontos adatokat kapunk a szükséges kollektormennyiséget és tárolórendszereket illetően.
Rendszerelemzés A helyesen megválasztott napkollektorok mellett fontos a rendszer megbízható működtetése. A rendszer fő alkotóelemei: 1. napkollektorok 2. hőcserélős tartály 3. szivattyúegység, biztonsági szeleppel és áramlásszabályzóval egybeépítve 4. elektromos szabályzó, érzékelő, csőrendszer 5. tágulási tartály 6. fagyálló hőtovábbító folyadék 7. fűtésrásegítés, medencefűtés
2. Hőcserélős tartály Kialakítását illetően lehet külső, illetve belső hőcserélős, belső hőcserélő esetén van 1 ill. 2 hőcserélős rendszer, mely rézcső kígyó tekervényből áll. A napkollektorok optimális működése nagyban függ a jól megválasztott tároló típusától és annak űrtartalmától. A beépített 2 hőcserélős tartály esetén az alsó hőcserélőre kötjük a napkollektort, a tartály felső hőcserélőjére a kazán fűtőágát. A napkollektorok csak megfelelően nagy felületű belső hőcserélőn keresztül tudják jó hatásfokon fűteni a tárolót. Tekintettel arra, hogy a tartályban lévő víz felmelegítése esetén a melegebb közeg felfelé áramlik a tartályban, a víz elvételi szelepben mindig melegvíz fog áramlani, mivel napsütés nélküli napoknál ugyan az alsó hőcserélő nem fűti a tárolt vizet, a felső hőcserélő érzékelő segítségével működésbe lép és ebben az esetben a kazán melegíti a vizet. A tárolt hőmérsékletet o érdemes 45-55 C-ra beállítani hagyományos hőtermelővel. Ennél magasabb hőmérsékletnél megnőnek a hőveszteségek és kemény víz esetén intenzív vízkőkiváltást eredményez. A tárolót azért kell alkalmazni, mert a napsütés időtartama nem minden esetben esik egybe a melegvíz fogyasztás idejével. Napkollektorok csak napközben működnek, akkor is az időjárás viszontagságaitól függ hatásfokuk. Ezért a napsütés idején a kollektorok által begyűjtött energiát melegvíz formájában tárolnunk kell a fogyasztás idejére. A tartályoknál nemcsak a víz mennyiségét illetően van széles választékunk, hanem létezik kombi tartály is, melynek az előnye fűtésrásegítés esetén (padló és falfűtés) használható. Tartály a tartályban, pl 800/200 l, melynél 800 l vízből gazdálkodik a padlófűtés és 200 l víz szolgál háztartási melegvíznek. A működési elmélete ugyanaz, mint a 2 hőcserélős melegvíztárolónak, azzal a külömbséggel, hogy itt egy hőcserélő melegíti fel a fűtésrásegítéshez szükséges vizet és a fajhő külömbség hatására továbbítja a háztartási melegvíz tartálynak a hőenergiát. A vízkövesedés ellen javasolt lágyított víz vagy aktív anód használata. A tartály szigetelés vastagsága általában 5 cm, de tárolótartályok esetében célszerűbb vastagabb szigetelést alkalmazni, valamint ügyelni kell a csatlakozók hőveszteségére is.
S1
R1
S3 S2
R2
S4
Külső hőcserélők: Nagyobb kollektorfelületek, pl. medencefűtés esetében már nem elegendő a tárolóba építhető hőcserélő, ilyenkor külső hőcserélőt kell alkalmazni nagyobb puffertárolóval. Külső hőcserélős napkollektoros rendszerekben nem csak a kollektor köri fagyálló folyadékot, hanem a fűtött közeget is szivattyúval kell a hőcserélőn keresztül keringetni. A hőcserélő egy kis térfogatú edény, melyben 2 közeg egymástól elválasztva, általában egymással szemben szűk, nagy felületű járatok között áramlik. Esetek többségében rozsdamentes acélból forrasztott vagy csavarozott kivitelben készül. Csavarozott kivitel: az oldható kötéssel ellátott lemezei gumitömítéssel vannak elválasztva, így tisztítás esetén szétszedhető.
A hőcserélőt hőtechnikai és áramlástani szempontok alapján kell kiválasztani. Fontos, hogy a fagyálló folyadék víztől eltérő (fajhő diszpozitás) értékét méretezésnél figyelembe vegyük. Hőtechnikai szempontból meg kell határozni a teljesítményt, melynél számítógépes méretezéskor az alacsony hőmérsékletkülömbség elérése a cél.
Áramlástani szempontból a hőcserélőket általában úgy választják ki, hogy nyomásveszteségük 20 kPa alatt legyen, különösen figyelni kell a medencehőcserélők esetében, melyhez ún. csőköteges hőcserélőket javaslunk.
3. Szivattyúegység, mely magában foglalja a szolárszivattyút A szivattyú megválasztásánál fontos tudni, hogy hány kollektor lesz egybeépítve, ennek megfelelően kell megválasztani a megfelelő szolár szivattyút, melynek a fagyálló anyag továbbítása miatt speciális tömítéssel és bronz járókerékkel kell rendelkezni. Szükséges térfogat áram és a teljes rendszer számított nyomásvesztesége alapján kell kiszámolni. A szivattyú alatt helyezkedik el az áramlásszabályozó, melynek segítségével optimálisan beállítható a zárt csőrendszerben lévő hőtovábbító folyadék áramlása. A tapasztalatok alapján 0,5-3 l/perc között van az optimális beállítás. A szivattyúk álló helyzetben nem akadályozzák meg az áramlást, ezért a napkollektoros rendszerben visszacsapó szelepet kell beépíteni. Így kiküszöbölhető az esetleges fordított irányú gravitációs keringés, mely a tároló vizét éjszaka visszahűtheti.
1. Felfogatási pontok 2. Nyomásmérő 3. Golyósszelep visszacsapószeleppel + Hőmérő 4. Golyósszelep 5. Töltő- ürítő csap 6. Töltő- ürítő csap 7. Légtelenítő szelep
4.
Szabályzók ®
Megválasztása rendszerek ismeretében könnyedén kiválasztható. Szabályzók feladata, hogy csak akkor indítsa el a kollektoros rendszert, ha a kollektorok hőmérséklete magasabb a fűteni kívánt közeg hmérsékletétől. A legegyszerűbb szabályzók a ∆T hőmérsékletkülömbség alapján egy-egy hőérzékelővel o rendelkeznek. A beállított hőmérséklet külömbség általában 5-15 C. Tehát a tárolóban a hőmérséklet csökkenés eléri a beállított külömbséget, elindul a szivattyú, illetve a rendszer. A kollektor feltöltötte a tárolót a max. beállított hőmérsékletre, akkor a szivattyú kikapcsolja a kollektor köri szivattyút, akkor is, ha a bekapcsoláshoz szükséges hőmérséklet külömbség továbbra is fennáll. Bonyolultabb többtárolós rendszerek működését a használati fontosság rangsorolja (először a használati melegvizet, majd a fűtéspuffert vagy medencefűtést rangsorolja). Többtárolós rendszerek esetén a szabályzók a kollektor köri szivattyún kívül a körök közötti átváltást végző motoros váltószelepet vagy a tároló körönként külön-külön beépített szivattyúkat is vezérli. ®
Analóg szabályzók: melyek az egyszerűbb, főleg melegvízre használhatók. Az analóg szabályzók tárolónként egy relékimenettel rendelkeznek, mellyel a szivattyúkat vagy váltószelepeket lehet kapcsolni.
1
2 S1
3 4 S2
7 8 9 10 11 RO RC N N L
S1
RO
Mikroprocesszoros szabályzók: összetetteb szabályzást tesz lehetővé, többtárolós rendszerek esetében lehetőség van a kollektorok visszahűtésére szükség esetén, valamint a szabadon programozható verziókkal integrált szabályzásokra is alkalmas. Ezekhez a szabályzókhoz hőmennyiségmérőket, mérésadat gyűjtőket köthetünk, figyelemmel kísérhetjük a rendszer működését. Érzékelők:
S2
1
2 S1
3 4 S2
7 8 9 10 11 RO RC N N L
S1 S2
R0
Szabályzók tartozéka a feladat magvalósításához szükséges számú érzékelő. Ezek többnyire ellenállásérzékelők, melyek hőmérsékletváltozás hatására változtatják ellenállásukat. Fontos, hogy ezeket a szenzorokat olyan helyre és oly módon helyezzük el, hoyg azok a mérni kívánt hőmérsékletet érzékeljék. Fontos, hogy a kültérben UV álló kábelt használjunk.
Csőrendszerek: Javasolt a vörösrézcső, melynek élettartama hosszú, könnyen megmunkálható, kis áramlási ellenállású, tiszta, lerakódásmentes. Javasoljuk csőkötésként, rézrésfittingek alkalmazását hőálló teflon tömítéssel, mivel a keményforrasztás hatására a cső kilágyulhat és idő előtt tönkremehet. Kötéseknél fokozottan ügyelni kell a hőtágulások biztosítására, mivel az acélcsőhöz képest a rézcső tágulása 50%-kal magasabb. A csövek rögzítésénél a nagy hőmérséklet miatt hőálló, gumis bilincset javasolunk.
Csővezetékek szigetelése: Csővezetékeket a hőveszteség csökkentése érdekében érdemes teljes terjedelmükben hőszigetelni. A hőszigetelésnek a hősokkon kívül, melyet az üresjárati indulás okoz, ellenállónak kell lennie külső térben, UV sugárzásnak, nedvességnek, valamint madárcsipegetésnek.
5.
Tágulási tartály, biztonsági szelep
A kolektorok 0-0,6 Pa nyomáson üzemeltetjük. Zárt renszer esetén tágulási tartály és biztonsági szelep beépítése szükséges, hogy lehetővé tegye a fagyálló hőhordozó közeg térfogatváltozását. Erre a célra zárt gumimembrános tágulási tartályokat kell használni. A tartály működése a levegő összenyomhatóság elvén alapszik. A kollektor rendszerben megnő a hőmérséklet, a hőhordozó közeg kitágul és a membránon keresztül összenyomja a tartályban lévő levegőt, úgy, hogy a rendszer nyomása csak kis mértékben emelkedik. A tágulási tartályt akkorára kell választani, hogy a megemelkedő nyomás ne haladja meg a rendszer megengedett max. nyomását. A tágulási tartály levegő oldalának előnyomását a rendszer feltöltése előtt be kell állítani. Az előnyomást hideg állapotban a tervezett nyomás 90%-ra kell beállítani. Ekkor feltöltés után hidegrendszer esetén a tartályban 10% folyadék van, ami elegendő a rendszerveszteség pótlására. Tervezéskor érdemes a hőtovábító folyadék o mennyiségével is kalkulálni. Üresjárati hőmérséklet 180-260 C, előfordulhat, hogy a gőz kinyomja a kollektorból a folyadékot, amit a tágulási tartálynak kell felvenni. Ellenkező esetben a biztonsági szelep lefúj. Biztonsági szelep lefúvó ágát érdemes edénybe vezetni, lefúvás esetén a fagyálló nem vész el. Beépítésnél az előremenő hideg ágba kell kötni, függesztett kivitelben. Fontos, hogy szolár tartályt használjunk, mivel a fagyálló agresszivitása miatt nem minden gumitípussal érintkezhet. A hőhordozó közeg forrását az üzemi nyomás növelésével lehet megakadályozni, a fűtési rendszerekhez képest magasabb, hideg állapotban 4 bar nyomásra kell feltölteni, mely 6 bar üzemeltetési nyomást eredményez. A kollektor legfelsőbb pontjára szerelt légtelenítő nem lehet automata, mivel forrás esetén ez kiengedi a gőzt, valamint a magas hőmérséklet könnyen tönkreteszi az automata légtelenítőben lévő mechanizmust. Drain-back rendszernél ezekre nincs szükség, a közlekedő edény elvén fagymentes térben a kollektor szintje alatt visszatérő ágba helyezzük el az ún. drain-backes tartályt, melybe lejtéssel szerelt napkollektorból nyugalmi állapotban visszafolyik a hőátadó folyadék, mely ez esetben víz is lehet.
6.
Fagyálló, hőátadó folyadék
Síkkollektorba propilén-glikol alapú, nem mérgező fagyálló folyadékot használunk. Vákuumcsövesbe pedig thyfocol nevezetű alacsony diszpozitású folyadékot, melyek oxidációgátló anyagot tartalmaznak. Az általános fagyállók (autóban használatos) mérgezőek, így a kollektor körben, ahl a hőcserélő esetleges kilyukadása következtében a fagyálló az ivóvízhálózatba juthat, nem alkalmazható. Fontos, hogy a rendszerben lévő fagyállót minden téli időszak előtt ellenőriztetni kell.
Kalkuláció, méretezés Napfény besugárzása átlagos nyári napon 1000 W. Átlagos nyári hónapban számolva kb. 3- 5,2 kW/m2/nap számolhatunk. 1 kWh/m2/nap = 3,6 MJ/m2/nap A megfelelő mennyiségű, illetve méretezésű kollektorok megválasztásánál fontos a kollektorok elhelyezésének tájolása, dőlésszöge, valamint a szükséges energiaigény (melegvíz, fűtésrásegítés vagy medencefűtés) meghatározása. Minél nagyobb a kollektorfelület, természetesen annál nagyobb vízmennyiséget tudunk előállítani, de célszerű ezt nem túlzásba vinni. A nyáron képződő fölösleges hőmennyiséget túlméretezés esetén valahova el kell tárolnunk. Tervezésnél figyelembe kell vennünk, hogy a megcélzott melegvíz hőmérséklet o o általában 50-60 C körül kell legyen, fürdés közben 35-45 C-os vizet használunk. Minden egyes rendszer telepítésénél szükséges egy helyszíni felmérés, mely alapján egy számítógépes program segítségével pontos adatokat kapunk a szükséges kollektormennyiséget és tárolórendszereket illetően. Síkkollektorok S1
R1
C
S2
A termékcsaládot hivatott dícsérni, hogy mindegyik jó hatásfokkal és időjárásállósággal rendelkezik.
S1
R1
S4
S3 R4
S2
R2
R2
S4
