OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE Vrste solarnih kolektora Nastavnik Branko
OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE Vrste solarnih kolektora Nastavnik: Branko Pleadin
U primjeni su najčešće tri izvedbe solarnih kolektora: • pločasti kolektori • kolektori s vakuumskim cijevima • neostakljeni apsorberi
Pločasti kolektori • Gotovo svi trenutno dostupni pločasti kolektori na tržištu sastoje se od metalnog apsorbera u ravnom pravokutnom kućištu.
Apsorberska ploča premazana je posebnim premazom koji apsorbira Sunčevo zračenje. Tako prikupljena toplina dalje se provodi kroz materijal apsorberske ploče (debljine oko 0. 3 - 0. 5 mm) prema cijevnom registru i na kraju predaje radnom fluidu koji protječe kroz cijevni registar. Dva cijevna spoja, za dovod i odvod solarnog medija, najčešće su izvedeni s bočne strane solarnog kolektora.
Kolektor je toplinski izoliran s donje i bočne strane. Za izolaciju se obično koriste mineralna vuna ili poliuretanska pjena debljine 30 - 70 mm, pri čemu gubici kroz izolaciju iznose oko 5 -10 % ukupnih gubitaka kolektora.
Oblik apsorbera koji se koristi kod pločastih kolektora ovisi o izvedbi cijevnog registra.
Okvir pločastih kolektora izrađuje se od metalnih (nehrđajućeg čelika ili aluminija) ili polimernih materijala armiranih staklenim vlaknima. Kako bi se omogućila nesmetana toplinska rastezanja stakla i materijala okvira te spriječio prodor vlage i nečistoća u unutrašnjost kućišta, posebna pozornost posvećuje se brtvljenju mjesta doticaja stakla i okvira. Kao brtveni materijali najčešće se koriste elastična silikonska guma ili posebni gumeni profili koji su postojani na UV zračenje (npr. EPDM - etilenpropilendien monomer), a često se dodatno štite metalnom trakom.
Prednosti pločastih kolektora: • jeftiniji su od vakuumskih kolektora • pogodni su za različite podloge i načine montiranja (na krov, integrirano u krov, na pročelje, na ravne površine) • imaju dobar odnos uloženog (cijena) i dobivenog (količina toplinske energije) • relativno se lako montiraju i spajaju s ostatkom sustava Nedostaci pločastih kolektora: • manja efikasnost u odnosu na vakuumske kolektore • za postavljanje na ravne krovove nužne su nosive konstrukcije • postižu manju temperaturu medija od vakuumskih kolektora • zauzimaju veću površinu nego vakuumski kolektori
Vakuumski kolektori • Vakuumski kolektori su, poslije pločastih, najviše korišteni tipovi solarnih kolektora. • Razvijeni su kako bi se smanjili gubici s apsorbera na okolinu, što je učinjeno na način da je iz prostora između apsorbera i pokrovnog stakla izvučen zrak. • Na ovaj način smanjeni su gubici zbog provođenja topline, dok se gubici zbog emisije (zračenja) ne mogu izbjeći, budući da za izmjenu topline zračenjem nije potreban nikakav medij. • Unatoč tome, kod zagrijavanja apsorbera i do 120 °C staklene cijevi ostaju hladne s vanjske strane.
Apsorber vakuumskih kolektora izveden je najčešće u obliku ravnih ili zaobljenih (s gornje strane cijevi) metalnih traka, ili kao koncentrični sloj na samim cijevima kroz koje struji solarni medij. Kod standardne konstrukcije pločastih kolektora vakuum bi doveo do pucanja pokrovnog stakla, pa se kod vakuumskih kolektora apsorber smješta u vakuumirane staklene cijevi (koje zbog kružnog oblika stjenke imaju pri istom vakuumu znatno manja naprezanja u materijalu). Na staklo koje se koristi za izradu vakuumskih cijevi postavljaju se visoki zahtjevi s obzirom na utjecaj tlaka te mehaničke i toplinske utjecaje iz okolice. Zbog toga se za njihovu izradu uglavnom koristi borosilikatno ili natrijevo staklo.
Standardna izvedba vakuumskih kolektora sastoji se od većeg broja cijevi spojenih zajedno i povezanih s gornje strane kolektora na izolirane polazne i povratne cijevi. Kućište kolektora s vakuumskim cijevima građeno je od pravokutnog okvira u koji se postavlja apsorber s vakuumskim, razdjelničkim (polaznim) i sabirničkim (povratnim) cijevima te priključcima na solarni krug.
S obzirom na konstrukciju, ali i namjenu kolektora, dvije su osnovne izvedbe kućišta kolektora s vakuumskim cijevima: 1. s vakuumskim cijevima koje su izravno spojene na solarni krug • izvedba s koaksijalnim cijevima • izvedba s U-cijevi 2. s toplinskim cijevima (eng. heat pipe)
Kućište kolektora s vakuumskim cijevima koje su izravno spojene na solarni krug omogućuje ugradnju u svim položajima (na kosom ili ravnom krovu, na ravnoj podlozi ili na okomitom pročelju zgrade). Kod vakuumskih kolektora s koaksijalnim cijevima solarni medij struji u dva smjera kroz niz paralelno spojenih koaksijalnih cijevi.
Kroz unutarnju koaksijalnu cijev struji hladni solarni medij iz razdjelnika, a kroz vanjsku se nakon izmjene topline zagrijan vraća prema sabirniku. Apsorber je (kao i kod pločastih kolektora) pričvršćen za cijev.
Kod izvedbi s ovalnim apsorberom ulogu apsorbera ima vanjska površina koaksijalnih cijevi na koju je nanesen premaz. Kod nekih se modela koriste reflektirajuća zrcala koja usmjeravaju Sunčevo zračenje na apsorbersku cijev.
Vakuumske U-cijevi sastoje se od dvije koncentrične staklene cijevi koje su na jednoj strani zatvorene u obliku polukugle, a s druge su međusobno spojene. Potom je prostor između cijevi ispražnjen i hermetički zatvoren.
Unutarnja staklena cijev premazana je selektivnim apsorpcijskim premazom i zapravo je apsorber koji je zaštićen od vanjskih utjecaja. Kod takve izvedbe nema prolaska metalne kroz staklenu vakuumsku cijev. Istodobno se može ostvariti refleksija Sunčevog zračenja s dna kućišta zahvaljujući primjeni paraboličnih koncentratora čime se omogućuje iskorištavanje slabijeg Sunčevog zračenja i povećava stupanj djelovanja cijelog kolektora.
Kod vakuumskih kolektora s toplinskim cijevima fluid struji samo kroz jednu cijev u dva smjera. Ovakvi kolektori ugrađuju se samo u kosom ili okomitom položaju. Kako bi se osiguralo strujanje isparivačke tekućine, nagib kolektora prema vodoravnoj ravnini treba iznositi najmanje 20°.
Asporber s toplinskom cijevi nalazi se unutar vakuumske cijevi za koju je pričvršćena toplinska cijev i postavljen je na toplinskoj cijevi koja je ispunjena prikladnom isparivačkom tekućinom (metanolom, freonom, itd. ) i zatvorena te se nalazi u unutrašnjosti staklene cijevi. Isparavanje takve tekućine događa se na temperaturama već od 25 °C. Na izlasku dijela toplinske iz staklene cijevi izveden je prolazak metala kroz staklo koji je trajno nepropustan za zrak.
Kada Sunčevo zračenje pada na apsorber, dolazi do zagrijavanja ispravačke tekućine unutar toplinske cijevi i njegovog isparavanja. Para isparivačke tekućine potom dospijeva do gornjeg, kondenzacijskog dijela toplinske cijevi gdje predaje toplinu solarnom mediju. Pritom se para hladi i ukapljuje te slijeva prema donjem dijelu cijevi.
Prednosti vakuumskih kolektora: • znatno manji toplinski gubici (u odnosu na pločaste kolektore) • postižu visoki stupanj efikasnosti čak i kod većih temperaturnih razlika između apsorbera i okoline • postižu visoki stupanj efikasnosti i kod malog intenziteta Sunčevog zračenja • pogodniji su od pločastih kolektora za primjene kod grijanja prostora • postižu visoke temperature solarnog medija • kod izvedbi s cijevima direktno spojenima u solarni krug moguća je montaža i na ravni krov, smanjujući time opterećenje krovišta (zbog mase i zbog utjecaja vjetra) te ukupne troškove Nedostaci vakuumskih kolektora: • skuplji su od pločastih kolektora • ne mogu se integrirati u krov • kolektori s toplinskim cijevima ne mogu se koristiti za horizontalno polaganje • u slučaju pucanja pokrovnog stakla (zbog oštećenja, temperaturnog širenja i skupljanja, itd. ) dolazi do pada efikasnosti zbog gubitka vakuuma
Neostakljeni apsorberi • sastoje se od plastičnih ili gumenih cijevi otpornih na UV zračenje i montiranih u paralelnom spoju
Prednosti neostakljenih apsorbera: • mogu zamijeniti krovni pokrov, što vodi snižavanju troškova grijanja • prikladni su za različite oblike krovova • na metalnim krovovima su estetski prihvatljiviji od ostalih vrsta kolektora • niska cijena Nedostaci neostakljenih apsorbera: • zahtijevaju veću površinu (zbog manje efikasnosti) • povećanje temperature medija iznad vanjske temperature je ograničeno zbog značajnijih toplinskih gubitaka • kratak rok trajanja (nekoliko godina) zbog propadanja materijala uslijed djelovanja UV zračenja
Usporedba osnovnih vrsta solarnih kolektora • Odabir izvedbe kolektora ponajviše ovisi o namjeni solarnog sustava, odnosno o zahtijevanoj temperaturi solarnog medija.
Općenito su kolektori s većim gubicima pogodniji za primjenu u okruženjima s višom okolišnom temperaturom. Što je razlika između temperature solarnog medija i vanjske (okolišne) temperature veća, veći su i gubici kolektora, pa im je i efikasnost manja.
Na temperaturnoj razlici = 0 svaki kolektor ima najveću efikasnost, jer su u tom slučaju i najmanji toplinski gubici prema okolini.
Temperatura mirovanja [°C] Namjena Moguća proizvodnja toplinske energije [k. Wh/m 2 godišnje] 0 - 30 70 - 90 - zagrijavanje bazenske vode - dizalice topline 200 – 300 s apsorberom premazanim matiranim crnim solarnim lakom 20 – 75 120 – 140 s apsorberom sa selektivnim premazom 20 - 85 140 - 240 Izvedba neostakljeni apsorberi pločasti kolektori vakuumski kolektori Temperatura solarnog medija (radna temperatura solarnog sustava) [°C] 20 - 100 150 - 300 - priprema potrošne tople vode - grijanje - proizvodnja procesne topline 360 - 680 400 – 800 400 - 890
Što smo naučili? • Koje su osnovne vrste solarnih kolektora? • Poredajte osnovne vrste solarnih kolektora prema efikasnosti? • Koji su osnovni dijelovi pločastih solarnih kolektora? • Od čega se sastoji i koja je uloga apsorberske ploče u solarnom kolektoru? • Koje su prednosti vakuumskih kolektora u odnosu na pločaste? • Zašto vakuumski kolektori imaju vrlo male toplinske gubitke? • Zašto vakuumski kolektori s toplinskim cijevima (heat pipe) nisu pogodni za postavljanje u horizontalnom položaju?
• Koje su prednosti, a koji nedostaci neostakljenih apsorbera? • Kako razlika u temperaturi solarnog medija i vanjske okoline utječe na efikasnost solarnih kolektora? • Koju vrstu solarnih kolektora je poželjno koristiti u okruženjima s niskom temperaturom?
- Slides: 31