Primerjava različnih vrst sončnih kolektorjev

Na trgu dobimo mnogo različnih tipov kolektorjev in skoraj vsak ponudnik za svoj izdelek trdi, da je najboljši. Seveda to lahko zmede potencialnega kupca, saj težko presodi, kateri kolektor bo za njegovo uporabo najprimernejši - tako po tehničnih lastnostih kot po razmerju učinkovitos/cena. V tem sestavku bomo poskusili analizirati prednosti in pomanjkljivosti tistih vrst sončnih kolektorjev, ki jih je mogoče kupiti v Sloveniji. Raziskave uporabe toplotne energije Sonca s spremenljivo stopnjo intenzivnosti potekajo že nekaj desetletij. Na to so skozi čas vplivali različni dejavniki, kot so cena vseh neobnovljivih virov energije, razvoj ekološkega zavedanja, napredek tehnologij, državne in mednarodne finančne spodbude in drugo.

 

Glede na razvoj tehnologije razvrščamo kolektorje v štiri generacije:

ploščati sončni kolektorjivakuumski sončni kolektorjiu-cevni sončni kolektorji

A: PLOŠČATI SONČNI KOLEKTORJI B: VAKUUMSKI CEVNI VSESTEKLENI KOLEKTORJI - SISTEM "CEV V CEVI" C: U-CEVNI SONČNI KOLEKTORJI

 

napredni sončni kolektorji greenland systems 
D: NAPREDNI SONČNI KOLEKTORJI GREENLAND SYSTEMS VAKUUMSKI CEVNI HEAT PIPE SONČNI KOLEKTORJI S SUHIM TOPLOTNIM SPOJEM

 

A.) Prva generacija: PLOŠČATI SONČNI KOLEKTORJI

Ker je to ena prvih tehnologij za izkoriščanje sončne energije, ki se uporablja že zelo dolgo, so obstoječe instalacije ploščatih sončnih kolektorjev še danes najštevilnejše. Večina tople vode v gospodinjstvih po svetu, kjer uporabljajo sončno energijo, se segreje v takih instalacijah. Ploščati kolektor je običajno sestavljen iz bakrenih ali aluminijastih cevi, prekritih z absorbersko ploščo - od tod tudi ime. Cevi so nameščene vzporedno po višini ali širini in priključene na obeh koncih. Grelna tekočina v ceveh sprejema toploto preko absorbcijske plošče. Ta je običajno prekrita s steklom nizke vsebnosti železa, kar omogoča višjo prosojnost.


Prednosti:

  1. Ploščati sončni kolektor je enostavno izdelati, zato bi lahko bil poceni. Vendar tržne cene v resnici ne kažejo napredka v to smer. Instalaterji imajo s tem izdelkom že dolgoletne izkušnje, zato je konfiguriranje in instalacija rutinsko opravilo, ki je v mejah te tehnologije lahko kvalitetno opravljeno.
  2. Ploščati sončni kolektor je lahko dokaj učinkovit, če so zagotovljeni ugodni klimatski pogoji: zunanja temperatura vsaj 18°C in visoka stopnja osončenja. Zato v krajih z obilo sonca in s toplim podnebjem skozi vse leto običajno predstavljajo ustrezno alternativo. V takih razmerah (v Evropi takega podnebja ni) lahko dobro zasnovan in izdelan sončni kolektor doseže vsaj 45-60 odstotno učinkovitost.

 

Glavne slabosti:

  1. Zaradi omejitev, ki jih narekuje zasnova, ploščati sončni kolektor s pridobljeno toploto slabo gospodari. Velik del se izgubi nazaj v okolico skozi stekleno ploščo in izolacijo na zadnji strani ohišja. Zato ta vrsta kolektorja slabo deluje v hladnih obdobjih. Slika desno je posneta z infrardečo kamero in prikazuje, kako kolektor razsipa toploto v okolico.
  2. Namestitev ploščatega kolektorja ni lahko opravilo. Zaradi precejšnje teže in ker ga je na streho potrebno prenesti v enem kosu, pri tem dostikrat potrebujemo nekaj ljudi ali celo dvigalo. Stroški instalacije so torej razmeroma visoki. Teža pogosto zahteva, da pred instalacijo ojačamo stresno konstrukcijo, še posebej, če je nanj pritrjen vodni zbiralnik (bojler).
  3. Zaradi velike toplotne mase je njihov toplotni odziv razmeroma počasen, zato v časih interminentnega osončenja razpoložljive sončne energije niso zmožni dobro izkoristiti oz. spremeniti v temperaturo uporabne višine.

 

sončni kolektorji - solarni kolektorji povpraševanje

 

B.) Druga generacija: vakuumski cevni vsestekleni kolektorji – sistem ''cev v cevi''

Cevni vsestekleni vakuumski kolektor 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.


Prednosti:

  1. Enostaven za izdelavo, razmeroma ekonomičen
  2.  Ima višjo učinkovitost kot ploščati kolektor, ne glede na letni čas in klimatske pogoje.

 

Glavne pomanjkljivosti:

  1. Stekleni cevni vakuumski kolektor ne zdrži bistvenega nadtlaka, zato običajno ne more delovati v sistemu zaprte zanke pri povišanih temperaturah grelne tekočine.
  2. Iz istega razloga ne sme biti priključen neposredno na vodovodno napeljavo.
    V ta namen mora biti sistem opremljen s pomožnim vodnim vsebnikom (rezervoarjem), iz katerega se sprejemnik napaja po težnostnem principu. Izhodni tlak torej ne presega težnosti, kar je komaj dovolj za spodobno prho.
  3. Zaradi velike skupne toplotne mase kolektorja in grelne tekočine se počasi odziva.
  4. Zbrana sončna toplota mora potovati tudi skozi steno notranje steklene cevi, zaradi slabe prevodnosti je izkoristek slabši kot pri kolektorjih z enoslojnimi cevmi.
  5. V pogojih visoke vsebnosti kalcija in drugih mineralov v vodovodnem omrežju se bodo na tleh steklenih cevi nabirale usedline, ki bodo postopoma zmanjševale učinkovitost naprave. Zaradi zaporedja strnjevanj in toplotnih raztezanj teh kamenih oblog se lahko zgodi, da steklena cev poči.
  6. Celoten sistem izpade iz delovanja, ce ena cev poci ali ce odpove obrocno tesnilo.

 

sončni kolektorji - solarni kolektorji povpraševanje

 

C.) Tretja generacija: U-CEVNI SONČNI KOLEKTORJI

Ta vrsta naprav je različica vsesteklenega vakuumskega 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.


Prednosti:

  1. Razmeroma enostaven za izdelavo, razmeroma ekonomičen.
  2. Ima višjo učinkovitost od ploščatega kolektorja, ne glede na letni čas in klimatske pogoje.
  3. Prenese tlak vode iz javne napeljave in lahko deluje v sistemu zaprte zanke.

 

Glavne pomanjkljivosti:

  1. Podobno kot ploščati sončni kolektor je neroden za montažo. Zaradi svoje teže zahteva pri instalaciji najmanj dva delavca in veliko pazljivost pri montaži, ker se številni spoji U-cevi med pregibanjem zlahka poškodujejo, kar privede do puščanja tekočine.
  2. 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.
  3. Ker je notranji premer U-cevi majhen, se v njih hitro nabirajo usedline, če je voda trda in močno mineralna.
  4. Ta kolektor ima razmeroma visoko toplotno vztrajnost, zato se prepočasi in neučinkovito odziva v pogojih kratkih intervalov osončenja
  5. Pri uporabi v velikih skupinah, kot je to pri industrijskih in drugih komercialnih instalacijah, lahko v primeru enega samega manjšega puščanja odpove celotna veja. Za popravila in vzdrževanje je potrebno izklopiti celotno sekcijo sistema.
  6. Kovinska folija je zgolj v dotiku z notranjo steno steklene cevi. Koncept prenosa toplote iz steklenih cevi na U-cevi preko te 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. Nase meritve na vzorcu U-cevnega sončnega kolektorja so pokazale, da njegova učinkovitost pod običajnimi obratovalnimi pogoji zaradi gornjih dejavnikov že po šestih mesecih obratovanja pade za 15%.
  7. Obratovalne komponente (folija, U-cevi) so v atmosferi in ne zaščiteni v vakuumu, zato so izpostavljeni kontaminaciji in oksidaciji, posebno kadar obratujejo v krajih z agresivno atmosfero, npr. v gosto poseljenih področjih. Posledica je vdor prahu in korozija (posebno folije), kar še poslabša že tako kritičen faktor prenosa toplote iz steklene cevi na U-cev.

 

sončni kolektorji - solarni kolektorji povpraševanje

 

D.) Četrta generacija: NAPREDNI SONČNI KOLEKTORJI

GreenLand Systems vakuumski cevni Heat Pipe sončni kolektorji s suhim toplotnim spojem

 

Tehnologija toplotnih cevi (Heat Pipe) je v vesoljski znanosti že dolgo poznana. Pomembna aplikacija te tehnologije je reševanje problema pregrevanja pri občutljivih elektronskih napravah na satelitih.

vakuumska cev
  VAKUUMSKA CEV Z RAVNIM IN PT ABSORBERJEM

 

V zadnjih letih se Heat Pipe princip uporablja tudi v civilnih in nasploh komercialnih krogih, tudi pri izkoriščanju toplotne energije Sonca. Zaradi kompleksnosti tehnologije in izdelave, takega sončnega kolektorja ne more ponuditi trgu ravno vsak proizvajalec toplotne tehnike. Zato so ti sprejemniki še relativno dragi in razmeroma redki. Vendar bodo zaradi svojih številnih izjemnih prednosti prav gotovo kmalu prevladali. Toplotna cev (Heat Pipe) je kovinska cev, napeljana po vsej dolžini absorberja. Deluje kot visoko učinkovit prenosnik toplote v povezavi z uparjalnim in kondenzacijskim delom. Specifična toplotna prevodnost tega elementa je 4.000­8.000-krat višja od specifične prevodnosti srebra, ki je eden najboljših prevodnikov toplote. Toplotna cev (Heat Pipe) je v osnovi cevni prevodnik toplote. Lahko vsebuje strukturo kapilarnih snopov in majhno količino posebne tekočine, ki izpari že pri zelo nizkih temperaturah.

 

Za izmenjavo toplote uporablja 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 toplotno spojen s toplotnim zbiralnikom. Proces se stalno ponavlja zaradi povratnega mehanizma, ki utekočinjeno tekočino vrača v območje segrevanja. Pri sončnih kolektorji GreenLand Systems je kondenzator nameščen nad kolektorjem. 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 izgube toplote v okolico zaradi konvekcije in prevajanja skoraj na nič.

 

GreenLand Systems sončni kolektorji pomenijo resničen preboj v tehnologiji izkoriščanja energije Sonca. Sestavljajo ga toplotna cev (Heat Pipe), absorbcijska plošča, steklena cev, kovinski tesnilni pokrov, kondenzator in odjemnik. Steklena cev je izdelana iz visoko prosojnega, 2,5mm debelega borosilikatnega stekla. Ta 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 sestava Heat Pipe vakuumske cevi GreenLand Systems je preko 25 let.

 

Uparjalna enota je tesno povezana z absorberjem, ki je izdelan iz aluminija "Sunstrip" visoke čistosti. Visoko cisti aluminij je uporabljen zaradi svoje zelo nizke specifične toplote, kar omogoča hiter toplotni odziv, in visoke toplotne prevodnosti. To sta pomembna dejavnika pri doseganju izjemne zmogljivosti sončnega kolektorja.

 

Za maksimalno učinkovitost pri vsrkavanju toplote je po gornji, k soncu obrnjeni strani absorberja, magnetno napršena selektivna prevleka iz aluminijevega nitro-oksida. Njen 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. Pri sončnih kolektorjih GreenLand Systems je steklo direktno nataljeno 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 GreenLand Systems nimajo tesnil, ne izgubljajo vakuuma.

 

sončni kolektorji - solarni kolektorji povpraševanje

 

vakuumska cev sončnih kolektorjev greenland systems

 

GreenLand Systems vakuumski cevni sončni kolektorji s suhim toplotnim spojem in toplotnimi cevmi (Heat Pipes) imajo pred drugimi vrsto pomembnih prednosti:

  1. Solarne vakuumske cevi GreenLand Systems so odporne proti zmrzovanju.
  2. Prenesejo visoke tlake grelne tekočine.
  3. So visoko učinkoviti tudi v skrajno neugodnih klimatskih pogojih v vseh letnih časih.
  4. 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.
  5. Sončni kolektor GreenLand Systems je zaradi suhega toplotnega spoja zelo lahko sestaviti, namestiti in vzdrževati. Zaradi nizkega padca tlaka in enostavne povezave so zelo primerni za sestavo v velike sisteme.
  6. Padec tlaka kolektorske tekočine je samo 2,5 kPa (25 mbar) pri pretoku 300 litrov na uro. Zaradi majhnega padca tlaka so sončni 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 pravilno izbrano obtočno črpalko nazivne moči cca. 120 W.
  7. 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 taka enostavna kot zamenjava žarnice. To je izjemna prednost v primerjavi z vsemi ostalimi vrstami kolektorjev, zato so sprejemniki GreenLand Systems v resnici edina prava izbira za velike sisteme.
  8. Sprejemnik GreenLand Systems ima nizko toplotno inercijo. Temperatura grelne tekočine zelo hitra naraste in kolektor lahko izkoristi toploto tudi v kratkih intervalih osončenja.
  9. Čeprav je tu tehnologija izdelave dražja od tehnologije izdelave ploščatih kolektorjev in od navadnih vakuumskih cevnih izvedb, je zaradi svojih številnih prednosti več kot konkurenčna. Ne nazadnje zato, ker delujejo skozi vse leto.
  10. Posamezne vakuumske cevi lahko neodvisno rotiramo, da dosežemo najboljši vpadni kat sončne svetlobe. To je pomembno povsod tam, kjer osnova za instalacijo, npr. streha objekta, ni obrnjena proti jugu. Večina drugih tipov kolektorjev ne ponuja te možnosti. Odstopanje orientacije namestitve sprejemnika od idealne smeri jug se lahko kompenzira z zasukom vakuumskih cevi okoli njihovih osi za kot do 30°. To je zelo estetska alternativa namestitvam kolektorjev na konzole nad slemenom strehe.
  11. Pri ceni se ne sme prezreti, da kolektor predstavlja samo del celotne solarne investicije. V primeru instalacije manj zmogljivega kolektorja Vam ne deluje, ne samo Vaša investicija v kolektor, temveč v Vašo celotno solarno instalacijo.
  12. Sončni sprejemniki GreenLand Systems Vam bodo učinkovito greli ne samo nekaj mesecev ali nekaj let po instalaciji, ampak z bistveno enako učinkovitostjo skozi celotno življenjsko dobo sprejemnika. Tega za ostale kolektorje ne moremo trditi.

 

Uporabite sončne kolektorje GreenLand Systems za hišno ali veliko solarno aplikacijo – uspeh je zagotovljen