Univerza v Ljubljani Fakulteta za Matematiko in Fiziko ...stepisnik/sola/energvir/Seminarji08_09/soncni zbiralniki.pdf · Univerza v Ljubljani Fakulteta za Matematiko in Fiziko Oddelek

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za Matematiko in Fiziko

Oddelek za Fiziko

Mitja Krnel

Soncni zbiralniki

Fizika energijskih virov

Mentor: prof. dr. Janez Stepisnik

Ljubljana, 8. 5. 2009

1. Uvod

Soncni zbiralniki spadajo danes med najbolj razsirjene nacine izrabe soncne energije.Predstavljajo edino okolju prijazno alternativo za pripravo tople vode v gospodinjstvih.

Sonce predstavlja za Zemljo prakticno neizcrpen in obnovljiv vir energije. Vsa ener-gija, ki bi jo lahko dnevno pridobili z izkoriscanjem Sonca, za vec 10-krat presega dnevnoporabo energije v razvitih drzavah. V zelji po boljsi skrbi za okolje, se delez obnovlji-vih virov na Zemlji povecuje. Od tega soncna energija prispeva okrog 10 %. Soncnosvetlobo lahko izkoriscamo direktno ali posredno. Direktni nacini izkoriscanja so: foto-voltaicni sistemi (proizvodnja elektricne energije), soncni zbiralniki (ogrevanje sanitarnevode, prostorov, bazenov). Posredno lahko soncno svetlobo izkoriscamo tako, da soncnosvetlobo pretvorimo v toploto. S toploto iz vode dobimo paro, ki poganja turbine, iz njihpa dobimo elektricno energijo.

Soncni zbiralniki pretvarjajo soncno sevanje v toploto in oddajajo toploto mediju(voda, tekoci mediji, zrak). S prenosnim medijem lahko potem grejemo grejemo vodo,stavbe ali bazene.

2. Soncna energijaSonce seva priblizno kot crno telo z mocjo okrog 4×1020 MW. Gostota energijskega toka

Sonca pada s kvadratom razdalje od njegove povrsine. Na vrhu Zemljine atmosfere dosezevrednost 1367 W/m2, kar imenujemo solarna konstanta. Plini, ki so prisotni v atmosferi,absorbirajo dolocene komponente spektra, del svetlobe se odbije v vesolje. Posledicnose spremeni oblika in amplituda spektra, s tem pa gostota energijskega toka na Zemlji.Gostota energijskega toka, ki doseze tla, je odvisna od dolzine poti soncnega sevanja skoziatmosfero in vremenskih pogojev. Njena povprecna vrednost cez dan se giblje med 100 in400 W/m2. Dnevna kolicina energije, ki jo prejme dolocen kraj na Zemlji, se spreminja zgeografsko sirino in letnimi casi (slika 1). Na ekvatorju je dnevna vsota energije skozi vseleto okrog 30 MJ/m2, na polih pa se spreminja od 0 do 45 MJ/m2. Letni obsev svetlobese tako giblje med 2000 in 10000 MJ/m2.

Moc, ki jo dobi posamezna ploskev na povrsju Zemlje, je odvisna od gostote vpadlegaenergijskega toka, velikosti ploskve in kota med normalo na ploskev in smerjo energijskegatoka. Steje torej le projekcija ploskve, pravokotna na smer energijskega toka:

P = jScosθ. (1)

Energijo, ki jo prestreze posamezna ploskev v izbranem casovnem intervalu, dobimo scasovno integracijo moci:

Q =

∫t2

t1

P (t)dt =

∫t2

t1

j(t, θ(t))Scosθ(t)dt (2)

Za horizontalne ploskve je kot θ le zenitni kot (spreminja se preko leta in preko dneva),za nagnjene ploskve pa je kot θ odvisen se od nagiba (kot α) in orientacije ploskve (azimut).Cez dan se spreminja tudi dolzina poti skozi ozracje, ki vpliva na absorpcijo sevanja, takoda se gostota energijskega toka, ki pride do tal, bistveno spreminja. Razen direktnega

2

Slika 1: Spreminjanje kota med soncnimi zarki in povrsino zbiralnika med letom

soncnega obsevanja, ki ga opisujejo zgornje enacbe, prejme posamezna ploskev na povrsiniZemlje se del difuznega in odbitega sevanja. Difuzno in odbito sevanje sta v primerjavi zdirektnim soncnim sevanjem manjsa prispevka energije, vendar sta bistvena v oblacnemvremenu, ko ni direktnega soncnega sevanja. Ta prispevek k energiji izkoriscajo novejseizvedbe soncnih zbiralnikov.

2.1 Potencial soncnega sevanja za Slovenijo

Povprecen letni soncni obsev za Slovenijo znasa med 3800 in 5000 MJ/m2 (slika 2).Najvec soncne energije prejmejo Primorje, Kras in Goriska (nad 4700 MJ/m2). Podatkiveljajo za vodoravno orientirane ploskve.

Slika 2: Letni soncni obsev v Sloveniji

Za dolocitev najugodnejse orientacije ploskve zbiralnika, so meteorologi izvedli simula-cijo soncnega obseva pri razlicno orientiranih ploskvah in tako dolocili najugodnejsi naklonin azimut za sprejemno ploskev. Ugodnejsi naklon pomeni vecji izkoristek osoncenosti.Zaradi podnebnih znacilnosti se zgodi, da najugodnejsi azimut, v katero je nagnjena plo-

3

skev ne kaze v smeri juga, kar je pricakovano na severni polobli ampak nekoliko protivzhodu ali zahodu.

Z meritvami so ugotovili, da je za letni obsev (ce zelimo vodo ogrevati celo leto) naobmocju Slovenije najugodneje, ce orientiramo ploskev zbiralnika pod naklonom 35◦-45◦

glede na vodoravno povrsino in azimutom 179◦.

3. Soncni zbiralnikiJedro vsakega soncnega zbiralnika je absorber. Njegova naloga je pretvorba soncne

svetlobe v toploto in oddajanje toplote prenosnemu mediju. Absorberji so ponavadi crnebarve, ker je za temne povrsine znacilna posebej visoka stopnja absorbcije. Stopnja ab-sorbcije nam pove kolicino kratkovalovnega soncnega sevanja, ki ga povrsina absorbira.Ko se absorber segreje na temperaturo, ki je visja od temperaure okolice, odda vecji deltoplote v obliki infrardecega sevanja. Razmerje med absorbiranim in oddanim sevanjempredstavlja emisivnost.

Skozi izsevano toploto soncni zbiralniki izgubljajo energijo. Zato, da se to zmanjsa,imajo napredni absorberji na povrsini dodane spektralno selektivne premaze. Ti premazi,ki so sestavljeni iz vec plasti, omogocajo pretvorbo visokega deleza (vec kot 90 %) soncnegasevanja v toploto in imajo hkrati nizko emisijo toplote. Vec o nacinu delovanja premazovje napisano v poglavju 4. Med galvansko nanesene premaze spadajo crni krom, crni nikeljin aluminijev oksid skupaj z nikljem. Relativno novi premazi vsebujejo plast titana-nitrida-oksida, ki ga nanesejo v vakuumu.

Izkoristek soncnega zbiralnika (slika 3) je definiran kot razmerje med energijo, ki jozbiralnik odda prenosnemu mediju, in prejeto soncno energijo. Energijska bilanca je torej:

η =ja − je

j, (3)

kjer je ja gostota absorbiranega svetlobnega toka, je gostota izsevanega svetlobnega tokav okolico in j celotna gostota svetlobnega toka, ki doseze povrsino soncnega zbiralnika.

Izgube energije so lahko termicne (sevanje, konvekcija) ali opticne (odboji svetlobe nastekleni povrsini). Zaradi izgub izkoristek soncnega zbiralnika ne preseze 80 %. Opticniizkoristek ali faktor pretvorbe oznacuje delez prepuscenih soncnih zarkov oz. delez absor-biranih soncnih zarkov. V osnovi gre za produkt med prepustnostjo stekla in absorbpti-vostjo absorberja.

Izgubo toplote oznacujemo s k-faktorjem, ki ima enoto W/m2K. Faktor doloca, kolikotoplote izgubimo na enoto povrsine zbiralnika in enoto temperaturne razlike med absor-berjem in okolico. Vecja kot je temperaturna razlika med absorberjem in okolico, vecjeso toplotne izgube. Nad doloceno temperaturo se toplotne izgube izenacijo z energijo, kijo je zbiralnik pridobil od sonca. V takem primeru postane zbiralnik neuporaben, saj nemore oddajati toplote mediju in na ta nacin ogrevati sanitarne vode oz. stavbe. Dobersoncni zbiralnik ima zato visok faktor pretvorbe in nizek k-faktor.

Izkoristek tipicnega ploscatega soncnega zbiralnika je narisan na sliki 3. Lastnostinekaterih vrst soncnih zbiralnikov so zbrane v tabeli 1.

4

Vrsta zbiralnika Faktor pretvorbe k-faktor temperaturno obmocjeploscati zbiralnik 0.66 - 0.83 2.9 - 5.3 20 - 80

vakuumski cevni zbiralnik 0.62 - 0.84 0.7 - 2.0 50 - 120

Tabela 1: Podatki o zbiralnikih

Slika 3: Izkoristek soncnega zbiralnika

4. Selektivni premaziPovrsine absorberjev so pri novih izvedbah soncnih zbiralnikov prevlecene s premazi,

ki izkoriscajo lastnosti soncnega spektra. S premazi zelimo zmanjsati toplotne izgubezbiralnika zaradi sevanja, zato zelimo, da je njihova termicna emisivnost cim nizja.

Ce bi izdelali premaze, ki bi imeli nizko emisivnost v vidnem delu svetlobnega spektra,svetlobe v tem delu ne bi mogli absorbirati. To nam pove Kirchoffov zakon: absorptivnostpri doloceni valovni dolzini je enaka emisivnosti pri isti valovni dolzini. Absorptivnost αs

spektralno selektivnih premazov mora zato v obmocju vidnega dela spektra (med 0.3 in3.0 µm) presegati αs = 0.9. Hkrati mora biti njihova termicna emisivnost εt v infrardecemdelu spektra (med 3.0 in 30 µm) cim manjsa (εt < 0.1). Taksne premaze lahko izdelamo,ker se soncni sevalni spekter prekriva s krivuljo sevanja absorberja le v majhnem obmocju,v okolici valovne dolzine λ = 2 µm.

Znacilni spekter soncnega sevanja na povrsini Zemlje in spekter sevanja crnega telesa(absorberja) pri temperaturah 100 ◦C, 300 ◦C in 400 ◦C sta narisana na sliki 4.

Toplotno sevanje crnega telesa je pri 100 ◦C zanemarljivo majhno v obmocju, v katerempoteka absorpcija soncnega sevanja. Z visanjem temperature se spekter pomika protinizjim valovnim dolzinam in pri T = 300 ◦C ze preseze spodnjo mejo λ = 2 µm. Premazina absorberju zato pri visokih temperaturah izgubijo svojo ucinkovitost. Zaradi tega setudi izkoristek soncnega zbiralnika poslabsa.

Za crna telesa velja, da je gostota energijskega toka porazdeljena v spektru valovnihdolzin po Planckovem zakonu:

5

Slika 4: Spekter soncnega sevanja na Zemlji (levo) in spekter sevanja crnega telesa (desno)pri razlicnih temperaturah. Idealni premaz, bi imel v obmocju λ > 2 µm odbojnost enako1, v obmocju λ < 2 µm pa odbojnost enako 0.

∂j

∂λ=

2πhc2

λ5(ehc

kλT − 1), (4)

kjer je λ valovna dolzina, h = 6,62×10−34 Js Planckova konstanta, k = 1,38×10−23

J/K Boltzmannova konstanta, c hitrost svetlobe in ∂j/∂λ odvod gostote energijskega tokapo val. dolzini.

Spekter elektromagnetnega sevanja crnega telesa ima maksimum pri valovni dolzini(Wienov zakon):

λmax =2897K

Tµm (5)

Valovna dolzina maksimalne gostote energije sevanja se zmanjsuje z narascajoco tem-peraturo. Hladna telesa sevajo pri dolgih valovnih dolzinah, vroca pa pri kratkih. Soncnosevanje ima maksimum v podrocju vidne svetlobe (valovna dolzina med 0,4 in 0,75 µm).Sevanje soncnega zbiralnika ima maksimum v infrardecem delu spektra (val. dolzina med0,75 in 24 µm).

Celotno gostoto energije, ki jo seva neko telo, dobimo, ce energijski spekter integriramopo vseh valovnih dolzinah. Za gostoto energijskega toka crnega telesa j velja Stefanovzakon: j = σT 4 , kjer je σ Stefanova konstanta (5,67×10−8 Wm−2K−4).

Gostota energijskega toka je odvisna od cetrte potence temperature, tako da je tem-peraturna odvisnost zelo izrazita. Razlike v gostoti energijskega toka so nekaj velikostnihredov med Soncem in zemeljskimi sevalci. Ce telo ni crno, ampak sivo (in je emisivnost ε

za vse valovne dolzine enaka), potem velja, da telo izseva manj (ε < 1), torej: j = εσT 4.

6

Emisivnost ε, s katero opisemo sevanje sivega telesa, je tudi funkcija temperature,vendar se s temperaturo le pocasi spreminja. Z dovolj veliko natancnostjo lahko medsiva telesa stejemo hrapave povrsine, predvsem dielektrike, polprevodnike in okside kovin.Med slednje sodijo tudi spektralno selektivne povrsine. Termicno emisivnost εt spektralnoselektivnih povrsin izracunamo po enacbi:

εt(T ) =

∫jλ(T )(1 − R(λ))dλ∫

jλ(T )dλ, (6)

kjer je jλ(T ) gostota izsevanega energijskega toka pri doloceni valovni dolzini, R(λ)odbojnost pri doloceni valovni dolzini

Termicna emisivnost je hkrati razmerje med gostoto svetlobnega toka, ki ga povrsinaemitira v okolico in gostoto sevalnega toka, ki bi ga v okolico emitiralo crno telo pri enakihpogojih, zato je 0< εt <1.

Selektivni premaz na absorberju je sestavljen iz treh plasti: stabilizacijske plasti, ab-sorbcijske plasti in antirefleksijske plasti. Prvo plast predstavlja stabilizacijski osnovninanos iz cistega titana, ki se prime na bakreno plocevino ali steklo (vakuumska cev).Sledi nanos polprevodne plasti (titanov oksid), ki absorbira 98 % soncnega sevanja. Za-dnji nanos predstavlja refleksijska plast, ki ima zelo nizko odbojnost, in lahko prepusti 98- 99 % soncnega sevanja, da ga absorbira polprevodna plast. Postopek nanosa poteka vvakuumski komori. Najpogosteje uporabljen absorbcijski nanos je poznan pod trgovskimimenom TINOX. Obstajajo tudi drugi: FeCuMnOx, CoCuMnOx, ali MoAl2O3.

5 Vrste soncnih zbiralnikov

5.1 Ploscati soncni zbiralnik

Sestavljen je iz absorberja, stekla, okvirja in izolacije (slika 5). Ker je to ena prvihtehnologij za izkoriscanje soncne energije, ki se uporablja ze zelo dolgo, so obstojeceinstalacije ploscatih soncnih zbiralnikov se danes najstevilcnejse. Vecino tople vode vgospodinjstvih po svetu, kjer uporabljajo soncno energijo, segrejejo s tovrstnimi zbiralniki.

Absorber v ploscatem zbiralniku je obicajno sestavljen iz bakrenih ali aluminijastihcevi, prekritih z absorbersko plosco. Cevi so namescene vzporedno po visini ali sirinizbiralnika s prikljucki na obeh koncih. Glede na to namestitev cevi locimo zbiralnike zavertikalno in horizontalno montazo. Cevi so privarjene na absorber zaradi boljse toplotneprevodnosti. Za dosego vecje sticne povrsine nekateri proizvajalci uporabljajo ploscatecevi. Grelna tekocina v ceveh prejema toploto preko absorbcijske plosce. Ta je obicajnoprekrita z dobro propustnim steklom. Gre za visokoprosojno kaljeno steklo z nizko vseb-nostjo zelezovega oksida. Steklo z nizko vsebnostjo zelezovega oksida omogoca vecjoprosojnost infrardecega sevanja, kar je pomembno v oblacnem vremenu (slika 6).

7

Slika 5: Ploscati zbiralnik

Slika 6: Primerjava med obicajnim kaljenim steklom in kaljenim steklom z nizko vsebno-stjo zeleza

Debelina stekla je obicajno 4 mm. Nekateri proizvajalci zbiralnikov zmanjsajo refle-ksivnost tako, da dodatno obdelajo zgornjo povrsino stekla z jedkanjem, s cemer povecajoprepustnost do 5 %. Obstajajo tudi zbiralniki z dvojnim steklom, kjer je v medprostoruzlahtni plin.

Pod absorberjem se nahaja toplotna izolacija, ki preprecuje izgubo toplote v okolico.

8

Izolacija je iz kamene volne ali ekspandiranega poliuretana debeline 40-60 mm. Ohisje vkaterem so namesceni absorber, toplotna izolacija in solarno steklo, je izdelano iz aluminijaodpornega na vremenske vplive ali iz nerjavece plocevine.

Prednosti ploscatih zbiralnikov:

Ploscati zbiralnik je dokaj ucinkovit, ce so zagotovljeni ugodni klimatski pogoji: zuna-nja temperatura vsaj 18 ◦C in visoka stopnja osoncenja. Zato v krajih z obilo sonca in stoplim podnebjem skozi vse leto ti zbiralniki predstavljajo ustrezno alternativo. Ploscatezbiralnike je enostavno izdelati, zato so cenejsi od vakuumskih.

Slabosti ploscatih zbiralnikov:

Znacilno za te zbiralnike je, da s pridobljeno toploto slabo gospodarijo. Toplotne iz-gube nastajajo skozi steklo in izolacijo, zaradi cesar so slabo ucinkoviti v hladnih obdobjihin vetrovnem vremenu. Zaradi precejsnje mase je njihovo prenasanje in namescanje na-porno opravilo. Pogosto zahtevajo dodatno konstrukcijo za namestitev, se posebej, ko greza izvedbo z dodanim vodnim rezervoarjem (bojlerjem). Zaradi velike toplotne kapaci-tete je njihov odziv razmeroma pocasen in v obdobju prekinjenega osoncenja razpolozljivesoncne energije ni mozno dobro izkoristiti.

5.2 Vakuumski cevni zbiralnik

V zadnjih 20 letih so se na trgu pojavili novi modeli zbiralnikov, ki imajo vecji izkori-stek od klasicnih ploscatih zbiralnikov, vendar zaradi visokih cen, se niso dosegli mnozicneuporabe. Pri taki vrsti zbiralnika se absorber nahaja znotraj evakuirane steklene cevi, kije odporna proti zunajemu tlaku (slika 7). Tekocina, ki prenasa toploto, potuje direktnopo cevi ali znotraj kovinske cevi, ki je zamescena v stekleni cevi. Locimo zato vec vrst va-kuumskih zbiralnikov: zbiralnike z direktnim prenosom, zbiralnike z U-cevjo in zbiralnikes toplotno cevjo (heat-pipe).

Slika 7: vakuumski cevni zbiralnik

9

Kolicina toplote, ki jo zbiralnik odda prenosnemu mediju, je odvisna na eni strani odabsorbcije soncevega sevanja in na drugi strani od izgube toplote navzven iz zbiralnikaskozi izolacijo. Vakuum (10−8 bar) dobljen z izsesavanjem zraka izmed sten dvojne ste-klene cevi je idealen izolator. Gre za enak princip, kot ga poznamo pri termo (dewar)posodah, le da je uporabljen pri vakuumskih cevnih zbiralnikih. Ta pricip izolacije, paomogoca optimalno izkoriscanje soncne toplote tudi jeseni, spomladi in celo pozimi. Po-sledicno imajo vakuumski cevni zbiralniki boljsi izkoristek kot ploscati zbiralniki skozi vseleto (slika 8).

Slika 8: primerjava ucinkovitosti vakuumskih in ploscatih zbiralnikov cez obdobje enegaleta

Za izdelavo steklenih cevi uporabljajo borosilikatno steklo z nizko vsebnostjo zeleza karzagotavlja odlicno prosojnost za soncno svetlobo. Debelina stene steklene cevi se gibljeod 1,6 do 2,5 mm.

5.2.1 Vakuumski cevni zbiralnik z direktnim prenosom

Vsestekleni cevni vakumski zbiralnik je zgrajen iz dveh koncentricno namescenih ste-klenih cevi, ki sta ena v drugi. Med njima se nahaja vakuum. Zunanja povrsina notranjecevi je prekrita z selektivnim absorbcijskim premazom. V sami notranji cevi pa se nahajaprenosni medij, ki prejeto toploto po gravitacijskem principu prenasa v toplotni rezervoar(slika 9).

Slika 9: princip delovanja vakuumskega zbiralnika z direktnim prenosom toplote

10

Prednosti vakuumskih cevnih zbiralnikov z direktnim prenosom:

Zbiralniki so enostavni za izdelavo in razmeroma ekonomicni. So bolj ucinkoviti odploscatih zbiralnikov ne glede na letni cas in klimatske pogoje.

Slabosti vakuumskih cevnih zbiralnikov z direktnim prenosom:

Stekleni cevni vakuumski zbiralnik ne zdrzi bistvenega nadtlaka, zato ne more delo-vati v sistemu zaprte zanke pri povisanih temperaturah grelne tekocine. Na najvisjemmestu mora biti namescena odprta ekspanzijska posoda. Zaradi velike skupne toplotnemase zbiralnika in prenosne tekocine se prepocasi in neucinkovito odziva v pogojih krat-kih intervalov osoncenja. V primeru, da ena od cevi poci ali popusti tesnilo izpade izobratovanja celoten sistem.

5.2.2 Vakuumski cevni zbiralnik z U cevjo

Po zasnovi je zbiralnik podoben zbiralniku z direktnim prenosom le, da prenosnatekocina ni prisotna v notranji stekleni cevi, ampak v kovinski (bakreni) U cevi vstavljeniv njeno notranjost. Toplotni prenosnik v obliki kovinskega (aluminijastega) plasca je vtoplotnem stiku s povrsino notranje steklene cevi, prevlecene z absorbcijskim premazom,in s kovinsko U cevjo. Toplota se preko kovinskega plasca prenasa s steklene stene natekocino v U cevi (slika 10).

Slika 10: vakuumski cevni zbiralnik z U cevjo

Prednosti vakuumskih cevnih zbiralnikov z U cevjo:

Zbiralniki so razmeroma enostavni za izdelavo. Imajo visjo ucinkovitost od ploscatihne glede na letni cas in klimatske pogoje. Ker se prenosni medij nahaja v kovinski cevi,lahko ti zbiralniki delujejo pri povisanem tlaku (do 10 bar) v zaprti zanki. Prenosni medijje obicajno mesanica glikola (sredstva proti zmrzovanju) in vode.

Slabosti vakuumskih cevnih zbiralnikov z U cevjo:

Povezave U cevi zahtevajo veliko varjenih (lotanih) spojev kar daje vecjo moznostnastanka puscanja. Za vsako popravilo puscanja je potrebno izprazniti zbiralnik. Notranjipremer U cevi je majhen zato obstaja nevarnost zmanjsanja pretoka ob nabiranju usedlin.Tolpotni prenosnik v obliki kovinske folije zaradi staranja in visokih temperatur scasomaizgubi elasticnost in s tem se poslabsa prenos toplote na grelni medij. Tako toplotni

11

prenosnik kot U cevi so izpostavljeni atmosferskemu vplivu in s tem koroziji kar prav takoscasoma poslabsuje prenos toplote in s tem ucinkovitost zbiralnika.

5.2.3 Vakuumski cevni zbiralnik s toplotno cevjo (heat-pipe)

Osnovni element teh vakuumskih cevnih zbiralnikov je toplotna cev. To je zaprtabakrena cev katere en konec je odebljen v tako imenovani kondenzor. Sama cev je obdanaz absorberjem, ki sprejema preko vakuuma toploto in jo predaja tekocini v cevi. Obstajatadve izvedbi (slika 11 in 12) vgradnje toplotnih cevi v zbiralnik in sicer:

Slika 11: toplotna cev se nahaja v notranjosti vakuumske cevi

Slika 12: toplotno cev obdaja vakuum, ki se nahaja med njo in steklom

V toplotni cevi se nahaja manjsa kolicina tekocine, ki izpareva ze pri temperaturi 30 ◦C.Obicajno je to voda, ki se v zaprti cevi nahaja pri znizanem tlaku. Vcasih je uporabljentudi alkohol. S segrevanjem cevi se tekocina v njej uparja in dviga v obmocje odebe-ljenega dela-toplotnega kondenzorja. Para v kondenzorju odda toploto mimotekocemuprenosnemu mediju, ki ogreva sanitarno vodo. Po kondenzaciji tekocina ponovno stecena dno toplovodne cevi in tako se postopek prenosa toplote ponavlja (slika 13).

12

Slika 13: princip delovanja toplotne cevi (heat-pipe)

Ker lahko temperatura medija v toplotni cevi doseze tudi do 250 ◦C in bi lahko zaraditega prislo do poskodb na samem zbiralniku, instalaciji ali rezervoarju, se v kondenza-cijskem delu cevi nahaja ventil. Vzmet ventila (zlitina titana in niklja) se pri povisanitemperaturi raztegne in onemogoci pretok toplote med absorberjem in kondenzorjem.Ventil se zapre pri temperaturi 95 ◦C in popolnoma odpre pri temperaturi 70 ◦C (slika14).

Slika 14: temperaturni regulacijski ventil

Vsaka vakuumska cev predstavlja samostojno enoto, ki preko ”suhe” navezave oddajatoploto na zbiralno cev, v kateri krozi prenosni medij (slika 15) . Posamezno cev lahko takoprikljucimo ali zamenjamo, ne da bi pri tem morali izprazniti sistem soncnega ogrevanja.

Prednosti vakuumskih cevnih zbiralnikov s toplotno cevjo:

Enako kot za vse ostale vakuumske zbiralnike velja tudi za te, da so ucinkoviti tudi vskrajno neugodnih klimatskih pogojih v vseh letnih casih. Zaradi majhne kolicine tekocine

13

Slika 15: vakuumski cevni zbiralnik s toplotno cevjo

v toplotni cevi, temperatura zelo hitro naraste in zbiralnik lahko izkoristi toploto tudi vkratkih intervalih osoncenja. V primeru odpovedi ali poskodbe posamezne vakuumskecevi lahko sistem deluje tudi med popravilom. Montaza je lazja, ker so zbiralniki lazji odploscatih in sestavljivi na mestu vgradnje.

Slabosti vakuumskih cevnih zbiralnikov s toplotno cevjo:

Njihova glavna slabost je visja cena zaradi zahtevnosti izdelave.

6 Uporaba soncnih zbiralnikov

6.1 Ogrevanje sanitarne vode

Z uporabo soncnih zbiralnikov za ogrevanje sanitarne vode lahko na podrocju Slovenijepokrijemo 60 % - 70 % celotnih potreb po topli sanitarni vodi. Na sliki 16 je prikazanashema sistema za pripravo tople sanitarne vode.

Soncni zbiralnik pretvarja soncno energijo v toploto, ki se z absorpcijske povrsineprenasa na medij. Obicajno je kot prenosni medij uporabljena voda z dodatkom sredstvaproti zmrzovanju. V zbiralniku (1) prejeto toploto medij s pomocjo crpalke (6) prenesedo izmenjevalnika toplote (4), ki se nahaja v rezervoarju (2). Izmenjevalnik prejeto to-ploto odda sanitarni vodi, ki ga obdaja, in jo tako segreje. Da poteka proces prenosatoplote samo v smeri od zbiralnika k rezervoarju in to samo, ko med njima obstaja tem-peraturna razlika, skrbi elektronika-regulator (8), ki dobiva informacije o temperaturahiz temperaturnih senzorjev (12,14). Obicajno je rezervoar tople vode opremljen z doda-tnim izmenjevalnikom (3), ki v primeru, ko ni dovolj soncne energije, ogreje sanitarnovodo s toploto pridobljeno z drugimi viri- kurilno olje, plin, briketi...(5) ali z elektricnimgrelnikom. Raztezanje prenosnega medija zaradi temperaturnih sprememb kompenziraekspanzijska posoda (7).

14

Slika 16: shema priprave tople sanitarne vode

Za pripravo tople sanitarne vode obstajajo tudi izvedbe sistemov, pri katerih se zbi-ralnik nahaja neposredno nad soncnimi zbiralniki in ni potrebna crpalka, ker cirkulacijapoteka gravitacijsko. Na zbiralnik je prikljucena hisna napeljava sanitarne vode. Primertake izvedbe je na sliki 17.

Slika 17: sklop soncnega zbiralnika in rezervoarja

15

6.2 Ogrevanje objektov

Ogrevanje objektov se mocneje uveljavlja sele v zadnjem casu. Pri novih dobro to-plotno izoliranih objektih z nizkotemperaturnim rezimom ogrevanja (talno ogrevanje) jetemperatura ogrevalnega medija lahko zelo nizka, npr. do 36 ◦C, kar je ugodno pri ogre-vanju s soncnimi zbiralniki.

Sistem ogrevanja sestavljajo enaki elementi kot pri pripravi tople sanitarne vode (slika18). Razlika je le v velikosti povrsine zbiralnikov in velikosti rezervoarja, ki mora zagotovitivecjo akumulacijo toplote. Pogosto akumulacijo sestavljata dva rezervoarja: manjsi sprostornino 200 - 500 l, za pripravo sanitarne vode in vecji prostornine 500 - 1500 l zaogrevanje prostorov.

Analize kazejo, da na obmocju Slovenije lahko letno pri ogrevanju stavb nadomestimoz energijo sonca priblizno tretjino potreb po energiji za ogrevanje.

Slika 18: shema ogrevanja sanitarne vode in objekta

16

6.3 Ostali nacini uporabe

V industriji uporabljajo soncne zbiralnike predvsem za proizvodnjo elektricne energije.Ta nacin posredne izrabe soncne svetlobe je se v fazi preizkusanja. Zbrano soncno sve-tlobo pretvarjajo v toploto, s pomocjo katere iz vode ustvarjajo paro. Nastala para zeneparne turbine in elektricne generatorje, ki proizvajajo elektriko. Temperatura absorberjalahko doseze vec kot 1000 ◦C, zato jim pravimo visokotemperaturni zbiralniki. Gledena nacin zbiranja soncne svetlobe locimo dva sistema soncnih zbiralnikov: parabolicnesoncne zbiralnike in heliostate.

Parabolicni soncni zbiralniki (slika 19) so oblikovani tako, da soncne zarke zberejo vgoriscu parabole, kjer se nahaja steklena cev s tekocino in absorber. Uporabljajo tekocino,ki ima nizko specificno toploto, zato da dosezejo visoke temperature (visje od vreliscavode). Svojo orientacijo lahko spreminjajo le okoli ene osi, zato njihov izkoristek ni takovisok kot pri heliostatih. Moci obstojecih elektrarn s parabolicnimi zbiralniki ne presegajo10 MW.

Slika 19: parabolicni soncni zbiralnik

Heliostati (slika 20) so soncni zbiralniki, ki s pomocjo zrcal koncentrirajo soncno sve-tlobo v eni tocki, kjer se nahaja absorber. Racunalnik spreminja njihovo orientacijo okrogdveh pravokotnih osi, glede na pot Sonca. Svelobo usmerijo na vrh soncnega stolpa, kjerse nahaja absorber in delovna snov. Delovna snov prenasa toploto na dno stolpa, kjer izvode generirajo paro, ki poganja turbine in proizvaja elektriko.

Problem takega nacina uporabe soncne svetlobe je shranjevanje toplote za obdobjaoblacnega vremena ali ponoci. V ta namen so za delovno snov izbrali zmes natrijevega inkalijevega nitrata, namesto olja ali vode.

Uporaba heliostatov je primerna samo za kraje z veliko stopnjo osoncenja skozi vseleto. Do sedaj so zgradili so tri polja soncnih heliostatov (dva v pucavi Mojave, v ZDA inenega v Spaniji). Za ekonomsko sprejemljivo obratovanje potrebujemo polje z vsaj 1000heliostati. Tipicna moc polja z 2000 heliostati je okrog 15 MW.

17

Slika 20: heliostat (levo) in polje heliostatov s soncnim stolpom (desno)

7. ZakljucekZ novimi tehnologijami posodobljeni ploscati soncni zbiralniki (selektivni premazi,

nizkoabsorbcijsko steklo, ...) ostajajo v tekmi s sododbnimi vakuumskimi cevnimi zbiral-niki. Njihova prednost je v enostavnosti izdelave in montaze, robustnosti ter nizji ceni.V primeru, ko je namen njihove vgradnje izkoriscanje soncne energije samo za ogrevanjesanitarne vode v letnem obdobju izven kurilne sezone, je njihova nabava smiselna.

Pri novogradnjah in pri rekonstrukcijah stanovanjskih objektov, pri katerih so upostevanipredpisi o toplotni izolaciji stavb, pa so prava izbira le vakuumski cevni soncni zbiralniki.Pri njih soncno energijo uporabljamo razen za ogrevanje sanitarne vode tudi za dopolnilnoogrevanje prostorov v kombinaciji z nizkotemperaturnimi kotli (talno ogrevanje). V temprimeru je investicija zaradi drazjih zbiralnikov in dodatne akumulacijske posode sicernekoliko drazja, vendar se povrne ze po 5-7 letih.

Literatura

[1] http://www.solarserver.de/wissen/sonnenkollektoren-e.html

[2] http://www.jgsee.kmutt.ac.th/exell/Solar/FlatPlate.html

[3] http://www.southface.org/solar/

[4] Dr.F.Mahjouri: Vacuum Tube Liquid-Vapor(Heat-Pipe) Collectors.

[5] A.Surca, J.Zivkovic, U.Krasovec: Spektralno selektivne povrsine za soncne zbiralnike,Kemijski institut, Ljubljana 2001.

[6] D.Kastelec, J.Rakovec, K.Zaksek: Soncna energija v Sloveniji, Zalozba ZRC SAZU,Ljubljana 2007.

[7] J.Gordon: Solar Energy−the State of the Art, James & James publications, London2001.

[8] T.Muneer: Solar radiation and daylight models, John Wiley & Sons, 1981.

18

[9] A.Rabl: Active solar collectors and their application, Oxford university press, 1985.

19