Stagnácia solárnych systémov a technológia ThermProtect

Slovo stagnácia z pohľadu solárnych systémov znamená, že systém nie je schopný sa dostatočne rýchlo ochladzovať, a tak dochádza k postupnému zvyšovaniu teploty vody cirkulujúcej v solárnom systéme. To môže viesť k následnej degradácii, resp. poškodzovaniu či dokonca k poruche určitých častí systému.

Typ solárneho systému

Veľký vplyv na stagnáciu má typ solárneho systému. Môže sa jednať o tzv. teplovodný alebo horúcovodný systém, kde voda počas normálnej prevádzky nemení svoje skupenstvo a len sa zohrieva. Rozdiel medzi teplovodným a horúcovodným systémom je len v teplotách vody. Druhým typom je tzv. dvojfazový „kombi“ systém, v ktorom voda mení skupenstvo. Tento systém je náchylnejší na poškodenie počas normálnej prevádzky či počas procesu stagnácie.

Hlavné dôvody stagnácie

Medzi hlavné dôvody stagnácie solárnych systémov patrí príliš veľká plocha solárnych kolektorov a malá potreba tepla počas dňa. Je pochopiteľné, že k stagnácii solárnych systémov dochádza počas letných mesiacov, kedy je spotreba tepla počas roka najmenšia. K stagnácii dôjde pri zohriatí zásobníku tepla na maximálnu teplotu cca 95 °C. V takom prípade sa vypína čerpadlo, ktoré zaisťuje chladenie solárneho kolektoru. Následne teplota absorbéra, ktorý je súčasťou kolektoru, začína rýchlo stúpať, až sa dostane na veľkosť tzv. stagnačnej teploty, ktorá sa pri trubicových pohybuje od 180 do 210 °C a od 220 do 300 °C pri vákuových kolektoroch. Dosahovaním týchto teplôt v systéme dochádza k častým zmenám skupenstiev, čím sa systém poškodzuje. Riešením je návrh vhodnej expanznej nádoby, ktorá je schopná vyregulovať nárast tlaku v systéme. Postupným zohrievaním vody v uzavretom priestore sa zväčšuje totiž jej objem a následne rastie aj tlak v systéme. Tento návrh by mal predchádzať aktivácii poistného ventilu, ktorý slúži ako posledné riešenie na záchranu celého systému.

Proces stagnácie sme schopní rozdeliť do piatich fáz :

1. Fáza – Expanzia kvapaliny

Teplota kolektora rastie až k teplote vyparovania. Celý proces sa odohráva v blízkosti kolektora, kde je teplota vody najväčšia. Pri tejto fáze je nárast tlaku v systéme pomerne dosť malý.

2. Fáza – Vytláčanie kvapaliny z kolektora

Väčšia časť kvapaliny je vytlačená z kolektora do expanznej nádoby vplyvom väčšieho tlaku  vyparenej vody, tj. pary. Výsledkom je rapídny nárast tlaku v systéme a teploty v potrubí kolektora a postupné plnenie potrubia parou. Kvapalina, ktorej teplota sa blíži k teplote varu, tepelne namáha časti systému. Táto fáza trvá pár minút a končí sa, keď sa na vstupe a výstupe z kolektora nachádza len para, pričom sa v kolektore môžu nachádzať zvyšky kvapaliny.

3. Fáza – Vyprázdnenie kolektoru vyparovaním

Zvyšná kvapalina , ktorá sa nachádza v kolektore sa vyparí a začne sa dostávať do ostatných častí systému. Následne ohrieva ďalšie časti systému, a tým poškodzuje. Napokon, na konci tretej fázy sa hodnoty objemu a tlaku v systéme dostávajú na maximálne hodnoty.

4. Fáza – Vyprázdnenie kolektoru prehriatou parou

Para v kolektore sa postupom času viac prehrieva a chladenie kolektora je čím viacej tým ťažšie. Táto fáza trvá najdlhšie a pri tejto fáze para dosť často mení skupenstvo z plynnej na kvapalnú a zase naopak.

5. Fáza – Znovu zaplavenie kolektora

Fáza začína poklesom teploty pod teplotu varu a jej následným klesaním, čím sa z pary stáva kvapalina a kolektor je opäť tzv. zaplavovaný. Toto je zapríčinené poklesom slnečného žiarenia.

Riadenie stagnácie

Našťastie sa proces stagnácie dá jednoducho regulovať a do určitej veľkosti priam eliminovať. Zmyslom riadenia stagnácie je ochrana dôležitých častí systému pred tepelným poškodzovaním. Celý princíp spočíva v tom, že prebytok tepla buď niekde uložíme „na horšie časy“, alebo ju  jednoducho zmaríme. Výhodou riadenia stagnácie je schopnosť pracovať aj bez elektrickej energie, tj. systém pracuje s tzv. prirodzenou cirkuláciou.

Pasívny marič tepla

Pre malé domáce teplovodné/horúcovodné systémy je riadenie stagnácie dostačujúce veľkosťou expanznej nádoby. No pri stredne veľkých systémoch sa už odporúča zapojiť do systému tzv. pasívny marič tepla. Takýto marič je po konštrukčnej stránke úplne jednoduchý. Ide len o to, aby mal čo najmenší objem, a aby jeho plocha bola čo najväčšia, tým sa bude tekutina v systéme počas prebytku tepla ochladzovať oveľa rýchlejšie. Akonáhle dôjde k zvýšeniu potreby tepla v domácnosti, dôjde k poklesu tlaku v systéme, ventil sa uzavrie, marič sa tekutinou v systéme obchádza a teplo ide k spotrebiteľovi. Výkon takéhoto mariča tepla závisí, samozrejme, na meteorologických podmienkach.

Zabrániť prehrievaniu môže aj nová technológia

Unikátnym riešením proti prehrievaniu kolektorov sa môže pochváliť napríklad plochý kolektor Vitosol 200-FM. Využíva patentovanú  technológiu ThermProtect, teda inteligentnú vrstvu absorbéra chrániacu kolektory pred prehrievaním. ThermProtect po dosiahnutí určenej teploty slnečné kolektory vypne. Pri teplote nad cca. 75 °C sa mení kryštalická štruktúra vrstvy absorbéra, tepelné sálanie sa zvýši niekoľkonásobne a výkon kolektora sa zníži. Takto je maximálna teplota v kolektore výrazne nižšia a zamedzí sa tým aj tvorbe pary v solárnom okruhu. Poklesom kolektorovej teploty dôjde k zmene kryštalickej štruktúry do pôvodného stavu. Takto sa potom znovu až 95 % dopadajúcej slnečnej energie absorbuje a mení na teplo. Formou odrazu sa stratí len zvyšných 5 %. Zmena kryštalickej štruktúry je neobmedzene často vratná, a tak je táto funkcia tiež trvale k dispozícii.