Kvapalinové solárne systémy predstavujú základnú skupinu zariadení slúžiacich na fototermálnu konverziu slnečného žiarenia s následným využitím tepelnej energie predovšetkým na ohrev vody. Ich hlavnou časťou sú solárne kolektory, pričom najrozšírenejším sú strednoteplotné ploché kolektory. Výskum v tejto oblasti prebieha aj v Centre obnoviteľných zdrojov energie, Fakulty BERG, Technickej univerzity v Košiciach (COZE).
V súčasnosti vyrábané strednoteplotné kolektory sú postavené výlučne na kovovej báze, pričom v konštrukcii absorbéra sa jedná predovšetkým o využitie kovov s vysokou tepelnou vodivosťou: medi a hliníka. Použitie ušľachtilých kovových materiálov je spojené so značnou mierou energetickej náročnosti výroby, ceny zariadení a v neposlednom rade sa vysoká tepelná vodivosť kovových prvkov môže negatívne premietnuť do zvýšenej miery energetických únikov z telesa kolektora.
Na základe týchto skutočností sa dospelo k hľadaniu odlišnej koncepčnej stratégie zachytávania a získavania tepla telesom solárneho kolektora s vylúčením kovových prvkov z energeticko–konverznej časti kolektora. Výskum v tejto oblasti a vývoj predmetného zariadenia prebiehal v Centre obnoviteľných zdrojov energie Fakulty BERG, Technickej univerzity v Košiciach (COZE), ktoré vytvára priestor pre realizáciu vedecko-výskumných aktivít v oblasti technológií využívajúcich obnoviteľné zdroje energie.
Návrh solárneho kolektora
Konštrukcia navrhovaného kolektora s absorpčno-konverzným monoblokom sa opiera o použitie inertných, trvanlivých materiálov, ktorých výroba nie je spätá s významnými primárnymi, resp. sekundárnymi environmentálnymi dopadmi.
Navrhovaný kolektor bol predbežne pomenovaný pracovným názvom SOLABLOK, ktorý v hrubých rysoch vystihuje podstatu základnej koncepcie kolektora. Prvoradým zámerom riešenia bolo navrhnutie solárneho kolektora pre široký okruh užívateľov a oblasť využitia, v ktorého konštrukcii nebudú kovové prvky (predovšetkým absorbér) a vyznačujúceho sa nasledovnými vlastnosťami:
- jednoduchá konštrukcia,
- nízka cena, v porovnaní s konvenčným kolektorom,
- dlhá životnosť,
- účinnosť porovnateľná so strednou triedou konvenčných strednoteplotných kolektorov určených pre celoročnú prevádzku v našich zemepisných šírkach.
Základná ideová koncepcia navrhovaného konštrukčného riešenia:
- Príkonová časť – konštrukčné riešenie má byť také, aby pri sledovaní vytýčenej koncepcie bol zabezpečený čo najväčší príkon slnečnej energie do vnútra kolektora, t.j. na plochu absorbéra,
- Odberová časť – pred a za absorbérom s príslušnými rozvádzacími kanálikmi teplonosného média, ktorý pozostáva len z konverznej plochy, teda povrchu absorpčno-izolačného monobloku, sú umiestnené dva tepelno-odporové prvky: samotné teleso monobloku a izolačné dvojsklo. Uvedené tepelno-odporové prvky vymedzujú množstvo energie, ktorá vstúpila do absorpčnej zóny a môže byť odvedená v rozvádzači prúdiacim médiom von z kolektora.
Základnou filozofiou návrhu je, okrem už zmienených materiálových kritérií, segmentová skladba kolektora. Takáto koncepcia smeruje k maximálnemu zjednodušeniu výrobnej technológie navrhovaných solárnych kolektorov, pričom sa dbá na možnosť kompletizácie finálneho produktu z dodávateľsky vyrobených dielov v jednoduchých výrobných podmienkach, nevyžadujúcich zvláštne technologické vybavenie. Základné segmenty navrhovaného kolektora sú:
- transparentný kryt,
- konverzno-izolačný monoblok plniaci úlohu rámu – kostry,
- zasklievací rám,
- pripojovacie mosadzné tvarovky.
Okrem základných stavebných častí – segmentov sa pri konštrukcii použijú hotové tesnenia, aplikačné tesniace hmoty, plastové podložky – tvarovky a spojovací materiál.
Na rozdiel od konvenčného konštrukčného riešenia plochého kvapalinového solárneho kolektora, kde je absorbér tvorený platňou alebo lamelami z kovu s dobrou tepelnou vodivosťou, sa u navrhovaného kolektora zvolila filozofia usporiadať absorbér takým spôsobom, aby sa vylúčila potreba tepelne vodivého kovového prvku a zachytené teplo bolo zdieľané do teplonosnej kvapaliny čo najkratšou trasou, resp. aktívna plocha absorbéra je priamo obmývaná kvapalinou bez použitia deliacej steny. Odvádzaniu tepla do telesa monobloku zabraňuje vysoký tepelný odpor použitého konštrukčného materiálu (penové sklo).
Funkciu absorbéra plní čierny povrch izolačného monobloku, ktorý predstavuje v takejto konfigurácii fototermálny konvertor, na ktorom dochádza ku konverzii krátkovlnného slnečného žiarenia na teplo, ktoré je priamo odovzdávané teplonosnému médiu. Prestupu tepla z povrchu do telesa monobloku bráni vysoký tepelný odpor materiálu monobloku. V porovnaní s konvenčným absorbérom, vyznačujúcim sa výraznými tepelnými stratami z prednej strany absorbéra sú u navrhovaného typu tieto straty eliminované samotným konštrukčným usporiadaním.
Energetická bilancia
Energetické procesy, odohrávajúce sa v plochých solárnych kolektoroch, je možné teoreticky popísať tzv. „energetickou bilanciou“. V súčasnosti prebiehajú v COZE experimenty smerujúce k určeniu charakteristických účinnostných parametrov kolektora, ktoré sa opierajú o presné solarimetrické merania na strane príkonovej a merania teplôt a prietokov teplonosného média na strane výkonovej. Na základe doterajších experimentov je možné konštatovať, že účinnostné charakteristiky navrhovaného solárneho kolektora sú analogické s účinnostnými krivkami štandardných strednoteplotných kolektorov so selektívnym absorbérov avšak s vyššou mierou optických strát, čo je možné následne eliminovať konštrukčnou úpravou transparentného krytu.
Čo vyplýva z výzkumu
V štruktúre nákladov na jednotlivé konštrukčné prvky štandardného solárneho kolektora majú podstatný podiel náklady na kovové konštrukčné prvky kolektora, ako je medený, resp. hliníkový absorbér s príslušnými potrubnými prvkami a kovová vaňa kolektora. Je možné predpokladať, že nahradenie týchto konštrukčných materiálov lacnejšími, pri zachovaní účinnostných parametrov bude viesť k zníženiu celkových nákladov na výrobu kolektora, čo by sa malo premietnuť do konečnej ceny produktu, ktorá do značnej miery determinuje masové rozšírenie solárnych kolektorov do všetkých relevantných oblastí aplikácie, v podmienkach krajiny s nízkou úrovňou kúpyschopnosti obyvateľstva. Redukcia výrobnej spotreby energie práve vylúčením energeticky najnáročnejších materiálov z konštrukcie kolektora sa priamo premietne do redukcie doby energetickej návratnosti solárneho zariadenia. Pokiaľ redukcia doby energetickej návratnosti predstavuje skrátenie doby návratnosti prostriedkov vynaložených na výstavbu solárneho zariadenia, tak redukcia výrobnej spotreby energie má environmentálny rozmer v oblasti, ktorá je často predmetom kritiky OZE a to značnej energetickej a čiastočne aj surovinovej náročnosti procesu výroby jednotlivých energetických zariadení.
Paralelne s vývojom kvapalinového solárneho kolektora prebieha aj vývoj vzduchového kolektora analogickej koncepcie postaveného na báze zatepľovacieho systému, na ktorý bola podaná patentová prihláška na Úrad priemyselného vlastníctva SR s číslom PP 68-2009 - Energeticky aktívna stavebnicová kolektorová zatepľovacia doska.
Doc. Ing. Radim Rybár, PhD., Ing. Jana Horodníková, PhD., Ing. Slavomír Perunko, Technická univerzita v Košiciach
Celý článek je uveřejněn v čísle 1/2011 časopisu Energie 21
