Temperatura stagnacji kolektorów słonecznych - jaka powinna być?

W tym artykule opiszę ważny parametr konstrukcyjny kolektorów słonecznych, a mianowicie temperaturę stagnacji. Zastanowimy się także czy lepiej jest, aby temperatura stagnacji kolektora była wyższa, czy może niższa.

Definicja temperatury stagnacji dla kolektorów słonecznych

Według normy PN-EN 1297502 "Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy -- Kolektory słoneczne -- Część 2: Metody badań" temperatura stagnacji to taka temperatura absorbera kolektora słonecznego mierzona w układzie, kiedy ciepło nie jest odbierane przez instalację ciepłej wody użytkowej. W aspekcie bilansu energetycznego kolektora wygląda to tak, że w temperaturze stagnacji cała energia słoneczna absorbowana przez kolektor jest tracona poprzez promieniowanie powierzchni absorbera i straty ciepła.

 Warto jeszcze dodać, że zgodnie z normą, temperaturę stagnacji mierzy się w układzie, gdy natężenie promieniowania półsferycznego na płaszczyznę kolektora wynosi 1000 W/m2 przy temperaturze powietrza otaczającego 30 st. C.

Dlaczego uwzględniać temperaturę stagnacji przy zakupie kolektorów?

Każdy z nas wyjeżdża na urlop. W czasie urlopu w domu mieszkalnym nie jest wymagana ciepła woda podgrzana z kolektorów, gdyż i tak nikt z niej nie będzie korzystał. Ci, którzy już mają kolektory słoneczne na dachu wiedzą, że sterownik solarny ma specjalny tryb pracy zwany pracą urlopową. Tryb urlopowy oznacza, że pompa solarna normalnie pozostaje wyłączona, ale w sytuacji gdy temperatura kolektora wzrośnie do wartości temperatury przegrzania, to sterownik załączy pompę i w ten sposób schłodzi kolektor. Gdy temperatura kolektora po jakimś czasie spadnie o co najmniej 5 st. C, to pompa solarna się wyłączy. W ten sposób sterownik zabezpiecza instalację przed przegrzaniem.Tryb urlopowy pracy instalacji solarnej daje oszczędności w postaci mniejszego czasu pracy pompy solarnej w sytuacji, gdy nie ma możliwości wykorzystania nagrzanej wody, czyli odbioru ciepła.

W karcie katalogowej każdego kolektora słonecznego jest parametr zwany temperaturą stagnacji.

Porównamy dwa popularne na polskim rynku modele kolektorów słonecznych o budowie harfowej:

• kolektor płaski firmy Helalex KS2000 TLP AC o powierzchni brutto 2.09 m2, sprawności 79,4 % i temperaturze stagnacji 202 st. C
• kolektor płaski firmy Geres-Asco GAK2.0 o powierzchni brutto 2,02 m2, sprawności 83,9 % i temperaturze stagnacji 182,2 st. C

Który z tych kolektorów ma lepsze parametry techniczne ?

Powierzchnia kolektorów jest prawie identyczna, kolektor firmy Geres-Asco ma sprawność większą o 4,5 % i temperaturę stagnacji mniejszą o 19,8 st. C.

Aby odpowiedzieć na to pytanie, będę posiłkować się opinią Dr. hab. inż. (Nazwisko znane redakcji) z Polskiej Akademii Nauk. Wszystkie materiały z których zbudowany jest kolektor muszą być odporne na najwyższą temperaturę występującą w układzie - temperaturę stagnacji. Dotyczy to m.in. szyb i konstrukcji kolektora ("zaleca się, aby konstrukcja kolektora zapewniała, by w osłonie nie powstały niedopuszczalne naprężenia, nawet przy maksymalnej temperaturze stagnacji kolektora"), a także materiałów izolacyjnych ("zaleca się, aby materiały izolacyjne były odporne na miejscowy wzrost temperatury w warunkach stagnacji temperatury kolektora. Zaleca się, aby w tej temperaturze nie występowało topnienie, kurczenie się czy odgazowywanie izolacji, a w konsekwencji kondensacja wewnątrz osłony kolektora lub zmniejszenie się wydajności absorbera albo korozja metalowych powierzchni, ponieważ przyczynia się to do znacznego pogorszenia charakterystyk cieplnych kolektora").

Prawdziwe jest twierdzenie, że temperatura stagnacji nie ma bezpośredniego wpływu na uzyski energetyczne kolektora słonecznego. Musimy więc porównać inne aspekty.

Jak podkreśla Dr. hab. inż., długotrwale utrzymująca się temperatura stagnacji powoduje, że absorber kolektora szybciej się starzeje, tzn. spada jego stopień absorpcji. Dla fabrycznego kolektora, współczynnik absorpcji wynosi ok. 95% i z czasem maleje. Poza tym należy pamiętać, że czynnikiem przewodzącym ciepło w instalacji solarnej jest glikol propylenowy. W długotrwale się utrzymującej temperaturze powyżej 165 st. C glikol propylenowy ulega degradacji. W wysokiej temperaturze glikol rozwarstwia się na rzadką wodę i gęsty żel, który może zatkać instalację solarną. Z powyższych rozważań widać, że wysoka temperatura stagnacji kolektorów słonecznych nie jest zalecana.

Odpowiedź na pytanie który z powyższych kolektorów ma lepsze parametry techniczne brzmi: lepszy jest kolektor firmy Geres-Asco.

Jak wybrać kolektor słoneczny ?

Pojawia się więc pytanie, na jakie parametry zwracać uwagę przy kupnie kolektora słonecznego.

Przede wszystkim należy zwracać uwagę na uzysk energetyczny kolektora. To uzysk energetyczny decyduje o tym, ile wody można zagrzać i do jakiej temperatury. Tu mała uwaga, należy zawsze porównywać uzyski energetyczne kolektorów o tej samej powierzchni absorbera. Niższa temperatura stagnacji kolektorów słonecznych świadczy o tym, że układ termodynamiczny kolektora lepiej radzi sobie z wysoką intensywnością promieniowania słonecznego i wysoką temperaturą powietrza otaczającego w warunkach braku odbioru ciepła z instalacji solarnej. A więc materiały użyte do budowy kolektora podlegają mniejszym obciążeniom termicznym i naprężeniom, co jest korzystne dla trwałości kolektorów słonecznych i ich sprawności. Zaleca się, aby kolektory słoneczne miały jak najwyższe uzyski energetyczne, przy w miarę niewysokiej temperaturze stagnacji. To jest podstawowe kryterium, na podstawie którego powinniśmy porównywać kolektory słoneczne.