Poznamo več vrst kolektorjev: ravne kolektorje, vakuumske cevne kolektorje, vakuumske cevne kolektorje z direktnim prenosom in vakuumske Heat Pipe kolektorje. Za Heat Pipe kolektorje še ne obstaja primeren slovenski izraz, še najbližje temu je izraz superprevodne toplotne cevi. Trenutno imajo najugodnejše razmerje med ceno in učinkovitostjo ravni kolektorji, čeprav so heat pipe kolektroji do 50 % bolj učinkoviti.
Če podrobneje analiziramo učinkovitost sončnih kolektorjev oziroma sprejemnikov sončne energije (krajše SSE) ugotovimo, da je le-ta odvisna od vpadle sončne energije, ki jo lahko SSE prenese na nosilec toplote.
Energijska bilanca sončnega sevanja pri višini Sonca 60° ob jasnem nebu brez meglic, pri čemer je površina pravokotna na smer vpada sončnih žarkov, je prikazana na sliki 1.
Slika 4.1: Energijska bilanca sončnega sevanja
Nagibni kot sončnih kolektorjev glede na površino Zemlje je pomemben in določa sprejem energije. Optimalni nagibni kot je odvisen od časa koriščenja kolektorjev, ker se položaj sonca tekom leta spreminja. Za Slovenijo je, glede na čas koriščenja, nagibni kot med 35 do 45° idealen kompromis med najvišjim položajem Sonca poleti (nagibni kot 30°) in najnižjim položajem Sonca pozimi (nagibni kot 60°).
Na osnovi položaja Sonca tekom dneva se morajo kolektorji usmeriti po možnosti na jug, da se energija Sonca optimalno izkoristi. Odstopanje od smeri jug, do 20° v poletnih mesecih, skorajda nima vpliva na izkoristek. Usmerjenost kolektorjev je prikazana na sliki 4.2, vpliv nagiba kota kolektorjev na izkoristek sončnega sevanja pa na sliki 4.3.
Slika 4.2: Še dopustna usmerjenost kolektorjev v smeri jugovzhod [2]
Slika 4.3 : Vpliv nagibnega kota kolektorjev na izkoristek sončnega sevanja [2]
PLOŠČNI SONČNI KOLEKTORJI (PRVA GENERACIJA)
Ploščni kolektor, slika 4.4 je običajno sestavljen iz bakrenih ali aluminijastih cevi, prekritih z absorbcijsko ploščo. Cevi so nameščene vzporedno po višini ali širini kolektorja in priključene na obeh koncih. Grelna tekočina v ceveh sprejema toploto preko absorbcijske plošče, ki je običajno prekrita s steklom z nizko vsebnostjo železa, kar zagotavlja višjo prosojnost.
Slika 4.4: Ploščati sončni kolektor [15]
Prednosti ploščnega kolektorja so:
• Ploščati kolektor je enostavno izdelati, zato bi lahko bil poceni, vendar tržne cene ne kažejo napredka v to smer. Instalaterji imajo s tem izdelkom že dolgoletne izkušnje, zato sta zasnova in instalacija rutinski opravili, ki sta v mejah te tehnologije lahko kvalitetno opravljeni.
• Ploščni kolektor je lahko dokaj učinkovit, če so zagotovljeni ugodni klimatski pogoji: zunanja temperatura vsaj 18° C in visoka stopnja osončenja. V krajih z obilo sonca in s toplim podnebjem tekom leta predstavljajo ti kolektorji običajno ustrezno alternativo (v Evropi takšnega podnebja ni) in lahko dosežejo 45 do 60-odstotno učinkovitost.
Slabosti ploščnega kolektorja so:
• Zaradi omejitev, ki jih narekuje zasnova, ploščni kolektor pridobljeno toploto slabo izkorišča. Velik del se izgubi nazaj v okolico skozi stekleno ploščo in izolacijo na zadnji strani ohišja. Zato ta vrsta kolektorjev slabo deluje v hladnih obdobjih.
• Namestitev ploščnega kolektorja ni lahko opravilo zaradi precejšnje teže. Stroški instalacije so razmeroma visoki. Teža ploščnih kolektorjev pogosto zahteva, da pred instalacijo ojačamo strešno konstrukcijo, še posebej, če je na kolektor pritrjen vodni zbiralnik (bojler).
• Zaradi velike toplotne mase ploščatih kolektorjev je njihov toplotni odziv razmeroma počasen, zaradi interminentnega (prekinjajoče) osončenja niso zmožni dobro izkoristiti
VAKUUMSKI CEVNI VSESTEKLENI KOLEKTORJI (DRUGA GENERACIJA)
Cevni vsestekleni vakuumski kolektor, slika 4.5 je zgrajen na osnovi dveh koncentrično nameščenih steklenih cevi, ki sta ena v drugi. V prostoru med njima je vakuum. Zunanja površina notranje cevi je prekrita s toplotno absorbcijsko snovjo in vsebuje grelno tekočino.
Tekočina za prenos toplote se na ta način segreva razmeroma ekonomično, vakuumska izolacija cevi pa zagotavlja majhne toplotne izgube.
Slika 4.5: Vakuumski cevni vsestekleni kolektor [16]
Prednosti vsesteklenega vakuumskega kolektorja so:
• Enostaven za izdelavo in razmeroma ekonomičen.
• Ima višjo učinkovitost kot ploščni kolektor, ne glede na letni čas in klimatske pogoje.
Pomanjkljivosti vsesteklenega vakuumskega kolektorja so:
• Ne zdrži bistvenega nadtlaka, zato običajno ne more delovati v sistemu zaprte zanke pri povišanih temperaturah grelne tekočine.
• Ne sme biti priključen neposredno na vodovodno napeljavo.V ta namen mora biti sistem opremljen s pomožnim vodnim vsebnikom (rezervoarjem), iz katerega se kolektor napaja po gravitacijskem principu.
• Zaradi velike skupne toplotne mase kolektorja in grelne tekočine se počasi odziva.
• Akumulirana sončna toplota mora potovati tudi skozi steno notranje steklene cevi, zaradi slabe prevodnosti je izkoristek slabši kot pri kolektorjih z enoslojnimi cevmi.
• V primeru visoke vsebnosti kalcija in drugih mineralov v vodovodnem omrežju se na steklenih ceveh nabirajo usedline, ki postopoma zmanjšujejo učinkovitost naprave.
Zaradi strnjevanja in toplotnih raztezanj kamenih oblog se lahko zgodi, da steklena cev poči.
• Celoten sistem izpade iz uporabe, če ena cev poči ali če odpove obročno tesnilo. [6]
U-CEVNI SONČNI KOLEKTORJI (TRETJA GENERACIJA)
Ta vrsta naprav, slika 4.6 je različica vsesteklenega vakumskega cevnega kolektorja. Za absorbcijo sončne energije še vedno uporablja princip dvojne steklene cevi z mnogimi slabostmi te zasnove. Namesto grelne tekočine, neposredno v notranji stekleni cevi, ima ta vrsta naprav kovinsko cev v obliki črke U, napolnjeno z grelno tekočino in vsajeno v notranjo stekleno cev. Kovinska folija, ki je v toplotnem stiku s površino notranje steklene cevi in hkrati s kovinsko U-cevjo, prenaša toploto s steklene stene na tekočino v U-cevi.
Slika 4.6: U-cevni sončni koektorji [15]
Prednosti U-cevnega sončnega kolektorja so:
• Razmeroma enostaven za izdelavo in razmeroma ekonomičen.
• Ima višjo učinkovitost od ploščnega kolektorja, ne glede na letni čas in klimatske pogoje.
• Prenese tlak vode iz javne napeljave in lahko deluje v sistemu zaprte zanke.
Pomanjkljivosti U-cevnega sončnega kolektorja so:
• Podobno kot pri ploščnem kolektorju je otežena montaža. Zaradi velike teže zahteva pri montaži najmanj dva delavca in veliko pazljivost, ker se številni spoji U-cevi med pregibanjem zlahka poškodujejo, kar privede do puščanja tekočine.
• Povezave U-cevi zahtevajo veliko varjenih spojev v glavi kolektorja, zato ugotavljanje poškodovanih mest in popravilo zahtevata veliko časa. Pogosto je bolje zamenjati celo skupino U-cevi, tudi pri najmanjšem puščanju.
• Ker je notranji premer U-cevi majhen, se v njih hitro nabirajo usedline, če je voda trda in močno mineralna.
• Kolektor ima razmeroma visoko toplotno vztrajnost, zato se prepočasi in neučinkovito odziva v pogojih kratkih intervalov osončenja.
• Pri uporabi v velikih skupinah, kot je to pri industrijskih in drugih komercialnih instalacijah, lahko v primeru manjšega puščanja odpove celotno kolektorsko območje. Za popravila in vzdrževanje je potrebno izklopiti celotno sekcijo sistema.
• Kovinska folija je zgolj v dotiku z notranjo steno steklene cevi. Koncept prenosa toplote iz steklenih cevi na U-cevi preko kovinske folije je zato ena najšibkejših točk tega tipa sončnih kolektorjev. Folija zaradi staranja in dolgotrajnega vpliva visokih obratovalnih temperatur sčasoma izgubi elastičnost, zato se kakovost toplotnega kontakta in s tem prenos toplote na grelni medij slabša. Naše meritve na vzorcu U-cevnega sončnega kolektorja so pokazale, da njegova učinkovitost pod običajnimi obratovalnimi pogoji, zaradi navedenih dejavnikov, že po šestih mesecih obratovanja pade za 15 %.
• Folija in U-cevi so v atmosferi in nezaščitene v vakuumu, zato so izpostavljene kontaminaciji in oksidaciji, posebno kadar obratujejo v krajih z agresivno atmosfero, npr.
v gosto poseljenih področjih. Posledice so vdor prahu, korozija ter slabši prenos toplote iz steklene cevi na U-cev. [6]
VAKUUMSKI HEAT PIPE SONČNI KOLEKTORJI S SUHIM TOPLOTNIM SPOJEM (ČETRTA GENERACIJA)
Tehnologija toplotnih cevi (Heat Pipe), slika 4.7 je v vesoljski znanosti že dolgo znana.
Pomembna aplikacija te tehnologije je opremljena za reševanje problema pregrevanja pri občutljivih elektronskih napravah na satelitih. V zadnjih letih se Heat Pipe princip uporablja tudi v civilnih in nasploh komercialnih sredinah, tudi pri izkoriščanju toplotne energije Sonca.
Zaradi kompleksnosti tehnologije in izdelave takega kolektorja ne more ponuditi trgu ravno vsak proizvajalec toplotne tehnike. Zato so ti kolektorji še relativno dragi in razmeroma redki, vendar bodo zaradi svojih številnih izjemnih prednosti prav gotovo kmalu prevladali.
Slika 4.7: Vakuumski Heat Pipe sončni kolektorji s suhim toplotnim spojem [16]
Toplotna cev (Heat Pipe) je kovinska cev, napeljana po vsej dolžini absorberja. Deluje kot visoko učinkovit prenosnik toplote v povezavi z uparjalnim in kondenzacijskim odsekom.
Specifična toplotna prevodnost je 4.000 do 8.000-krat višja od specifične prevodnosti srebra, ki je eden najboljših prevodnikov toplote. Toplotna cev (Heat Pipe) je v osnovi cevni prejemnik toplote, ki vključuje več kapilarnih snopov in majhno količino posebne tekočine, ki izpari že pri zelo nizkih temperaturah. Za izmenjavo toplote skrbi uparjalno-kondenzacijski krog. Toplota iz zunanjega vira, v našem primeru iz sončnega absorberja, upari tekočino, ki hkrati vsrka latentno toploto procesa. Ta energija se s kondenzacijo sprosti v območju toplotnega kondenzatorja, ki je spojen s toplotnim zbiralnikom. Proces se stalno ponavlja zaradi povratnega mehanizma, ki utekočinjeno tekočino vrača v območje segrevanja.
Toplotna cev je tesno toplotno spojena s kovinskim absorberjem sončne energije. Ta spoj je nameščen znotraj visoko prosojne steklene cevi. Zrak je iz notranjosti cevi odstranjen do stopnje praktično popolnega vakuuma, kar zmanjša izgubo toplote v okolico zaradi konvekcije in prevajanja. Osnovna shema Heat Pipe sistema je prikazana na sliki 4.8.
Slika 4.8: Vakuumska cev kolektorja Heat Pipe s suhim toplotnim spojem [17]
Kolektor sestavljajo toplotne cevi (Heat Pipe), absorbcijska plošča, steklena cev, kovinski tesnilni pokrov, kondenzator in odjemnik. Steklena cev je izdelana iz visoko prosojnega, 2,5 mm debelega borosilikatnega stekla, ki varuje notranjost cevi pred škodljivimi zunanjimi dejavniki, kar omogoča dolgo delovno dobo naprave. Brez poškodbe lahko zdrži udarce toče premera do 3,5 cm, celo če ta pada pravokotno na stekleno cev. Življenjska doba Heat Pipe vakuumske cevi je 25 let. Uparjalna enota je tesno povezana z absorberjem, ki je izdelan iz aluminija visoke čistosti (zaradi zelo nizke specifične toplote), kar omogoča hiter toplotni odziv in visoke toplotne prevodnosti.
To sta pomembna dejavnika pri doseganju izjemne zmogljivosti kolektorja. Za maksimalno učinkovitost sprejema toplote je po zgornji, k soncu obrnjeni strani absorberja, magnetno napršena selektivna prevleka iz aluminijevega nitro-oksida. Absorbcijski količnik je več kot 92 %, emisijski pa manj kot 8 %. Tudi tehnološki postopek pri nanašanju prevleke na površino absorberja je okolju prijazen in zahteva malo energije v primerjavi s kromiranjem ali z nikljanjem, ki se običajno izvajata z elektrolizo. Cevi so izdelane iz visoko odpornega borosilikatnega stekla s prepustnostjo IR svetlobe preko 94 %.
Za zmanjšanje konvekcijskih toplotnih izgub in za zaščito vseh aktivnih delov pred korozijo ter nanosom prahu so vsi aktivni deli kolektorja v vakuumu pri absolutnem tlaku manj kot 0,001 Pa, kar je stomilijonkrat manj od standardnega atmosferskega tlaka. Dolgotrajna stabilnost vakuuma je zagotovljena s pazljivo konstruiranimi odjemniki, katerih naloga je absorbiranje molekul, ki se sčasoma sprostijo s površine materialov v vakuumu.
Tesnjenje med stekleno cevjo in kovinsko ploščo je izvedeno z najnovejšo tehnologijo, brez uporabe tesnil, kar zagotavlja dolgoletno zanesljivost spoja kovine s steklom. Steklo je direktno privarjeno na kovinski pokrov na vrhu cevi. V sončnih kolektorjih mnogih drugih proizvajalcev so za zatesnitev vakuuma uporabljena najrazličnejša, največkrat silikonska, tesnila. Omejena življenjska doba takih tesnil je daleč najpogostejši vzrok izgube vakuuma.
Ker sončni kolektorji ne uporabljajo tesnil, ni izgube vakuuma.
Prednosti vakumskega Heat Pipe kolektorja so:
• Solarne vakuumske cevi so odporne proti zmrzovanju.
• Prenesejo visoke tlake grelne tekočine.
• So visoko učinkovite tudi v skrajno neugodnih klimatskih pogojih v vseh letnih časih.
• Zaradi suhega toplotnega spoja, dobro dimenzioniranih priključnih točk v toplotnem zbiralniku in velike površine preseka toplotnega zbiralnika, visoka vsebnost kalcija in drugih mineralov v ogrevani vodi praviloma ne povzroča problemov, povezanih s kopičenjem usedlin, kot je na primer blokiranje pretoka.
• Sončni kolektor je zaradi suhega toplotnega spoja zelo lahko sestaviti, namestiti in vzdrževati. Zaradi nizkega padca tlaka in enostavne povezave je zelo primeren za montažo v velike sisteme.
• Padec tlaka kolektorske tekočine je samo 2,5 kPa (25 mbar) pri pretoku 300 litrov na uro.
Zaradi majhnega padca tlaka so kolektorji GreenLand Systems posebej primerni za vezavo več kolektorskih enot v večje sisteme. Za dosego potrebnega pretoka namreč ne potrebujejo črpalke z visokim izstopnim tlakom. Zaradi majhnega padca tlaka lahko celo pri zelo velikih sistemih uporabljamo majhne in ekonomične obtočne črpalke. Npr. pravilno povezan sistem nazivne moči 60 kW lahko obratuje z eno samo obtočno črpalko nazivne moči cca. 120 W.
• V primeru odpovedi ali poškodbe posamezne vakuumske cevi lahko sistem deluje tudi med popravilom. Pri menjavi cevi med obratovanjem sistema ne pride do izgube solarne tekočine. Zamenjava pokvarjene cevi je skoraj tako enostavna kot zamenjava žarnice, kar je izjemna prednost v primerjavi z vsemi ostalimi vrstami sončnih kolektorjev. Zato so sončni kolektorji v resnici edina prava izbira za velike sisteme.
• Kolektor ima nizko toplotno inercijo. Temperatura grelne tekočine zelo hitro naraste in kolektor lahko izkoristi toploto tudi v kratkih intervalih osončenja.
• Čeprav je tehnologija izdelave dražja od tehnologije izdelave ploščnih kolektorjev in od navadnih vakuumskih cevnih izvedb, je zaradi svojih številnih prednosti več kot konkurenčna. Nenazadnje zato, ker kolektorji delujejo tekom celega leta.
• Posamezne vakuumske cevi lahko neodvisno rotiramo, da dosežemo najboljši vpadni kot sončne svetlobe. To je pomembno predvsem tam, kjer osnova za instalacijo, npr. streha objekta, ni obrnjena proti jugu oziroma proti severu na južni polobli. Večina drugih tipov kolektorjev ne ponuja te možnosti. Odstopanje orientacije namestitve kolektorja od idealne smeri jug se lahko kompenzira z zasukom vakuumskih cevi okoli njihovih osi za kote do 30°. To je zelo estetska alternativa namestitve kolektorja na konzole nad slemenom strehe.
• Pri stroških se ne sme prezreti, da kolektor predstavlja samo del celotne solarne investicije. V primeru instalacije manj zmogljivega kolektorj ne pride do izraza samo investicija v kolektor, temveč v celotno solarno instalacijo.
• Sončni kolektorji učinkovito grejejo ne samo nekaj mesecev ali nekaj let, temveč z enako učinkovitostjo v celotni življenjski dobi.
Sistem na sliki 4.9 in 4.9a sestavljajo vakuumski cevni kolektor, hranilnik tople vode, obtočna črpalka, elektronska kontrolna enota, toplotni izmenjevalnik in pomožni elementi.
Kolektor absorbira sončno sevanje in ga pretvori v toplotno energijo. Tekočina v toplotnem zbiralniku le-to prevzame in jo preko toplotnega izmenjevalca prenese na vodo v vodnem hranilniku.
Sliki 4.9 [22]
Sliki 4.9 in 4.9a: Princip delovanja solarnega sistema [18]
Elektronska krmilna enota nadzira temperaturo tekočine v toplotnem zbiralniku in temperaturo vode v zalogovniku. Ti dve vrednosti služita preklapljanju obtočne črpalke in s tem upravljanju pretoka tekočine. [9]