Kan Demax flade solfangere bruges til industrielle procesopvarmningsformål?

Tilpasning af ydelsen fra flade solfangere til industriers varmeforbrug

Lav- og mellemtempererede industrielle processer, der anvender flade solfangere

Flade plade-solindfangere er godt egnet til at opfylde kravene fra industrielle processer, der har brug for varme i området 60–90 °C. Forvarmning af fødevarer og drikkevarer (60–80 °C), farvning af tekstiler (70–90 °C) samt sterilisering af udstyr og materialer (70–85 °C) er nogle af de processer, der kræver varme inden for dette område. Alle disse anvendelser er godt i overensstemmelse med de termiske ydelsesgrænser for standard flade plade-systemer, da der sker en hurtig og betydelig effektivitetsnedgang ved stigende temperaturer over 85 °C. For eksempel er pasteurisering af mælk en kontrolleret opvarmningsproces, der kræver 72–75 °C – en temperatur, der ligger godt inden for det driftsmæssige temperaturområde for eksisterende flade plade-indfangere. IEA SHC Task 49 rapporterer, at fremstillingsindustrier, der opererer med procesvarme under 90 °C, udgør 65 % af den globale energiforbrug i fremstillingen. Dette understreger, at der er en betydelig mulighed for at decarbonisere den globale energiforbrug ved målrettet integration af solvarme.

Nyere implementeringer – casestudie for forvarmning af bryggerier og farvning af tekstiler.

Praktiske installationer bekræfter de tekniske og økonomiske muligheder ved disse systemer, som illustreret i følgende tilfælde.

En tysk bryggeri, der anvender flade kollektorer, opnåede en reduktion på 40 % i naturgasforbruget ved at forvarme rengøringsvand til 75 °C.

Desuden opnåede en tekstilproduktionsfacilitet en solandel på 68 % til farvekar (85 °C) ved hjælp af trinvis anordnede kollektorarrayer og lagdelt termisk lager.

Under delvist skyet vejr, hvor der var til stede tidsmæssig stråling, viste begge systemer evnen til at levere en konstant ydelse takket være de forbedrede selektive absorberbelægninger, som betydeligt reducerede udsendelses-tabene, og det viste sig, at de termiske ydeevner for systemerne i feltet var 12–18 % højere end for de ældre systemer. Dette demonstrerer, at fladplade-teknologi kan anvendes pålideligt til levering af konstante industrielle termiske belastninger, når de termiske krav ligger tæt på den solvarmebaserede levering.

Driftstemperaturgrænserne for fladplade-solfangere i industrielle anvendelser.

Hvorfor falder effektiviteten fra ca. 85 °C: Dynamikken bag termiske tab og empiriske data fra IEA SHC Task 69

Effektiviteten af solfangere falder betydeligt over 85 °C som følge af øget tab ved stråling og konvektion. Jo højere temperaturen på absorberen er, jo større er strålingshastigheden (ifølge Stefan-Boltzmanns lov) og jo større er konvektionshastigheden mellem absorberen og glaslaget. IEA SHC Task 69 (2023) målte en 22 % reduktion i effektivitet ved 95 °C sammenlignet med 75 °C ved samme solindstråling, hvilket bekræfter, at 85 °C udgør en praktisk grænse for konventionelle flade pladefangere uden avanceret isolering. Derfor bliver varmetabene større end solvarmegewinsten ud over denne temperatur, og dampprocesser over 100 °C er ikke mulige uden anden teknologi.

Innovationer til udvidelse af anvendelsesområdet: Selektive absorberer og hybride vakuumisolationsdesigns

Belægninger af selektive absorberer øger driftsområdet betydeligt ved at maksimere solabsorptionen i belægningen (op til 95 %) og samtidig reducere den infrarøde udstråling (5–10 %). Kombinationen af selektive absorberer med hybrid-vakuumisolerede paneler, som eliminerer konvektionsbetingede tab under absorberen, gør det muligt for moderne flade kollektorer at opretholde nyttige virkningsgrader op til 110 °C. Dette vil gøre det muligt at anvende kollektorerne i andre applikationer såsom sterilisering af høj kvalitet og dampgenerering ved mellemtryk. Indledende feltprøver og tests har bekræftet, at disse systemer ved temperaturer over 90 °C genererer ca. 18 % mere end standard flade kollektorsystemer.

Overvejelser vedrørende systemintegration til kontinuerlig industrielt brug

Valg af varmeoverførende væsker: Trykbehandlet vand versus glykolblanding – overvejelser vedrørende korrosion, frostbeskyttelse og vedligeholdelse

Valget af varmeoverførselsvæsker har en betydelig indvirkning på systemets levetid, sikkerhed og effektivitet. Trykbehandlet vand har en 15 % højere termisk ledningsevne end glykolblandinger (International Energy Agency, 2023), hvilket resulterer i en højere kollektorudbytte og en reduktion af pumpeenergiforbruget. I omgivelser, hvor der er risiko for frost, har glykolbaserede væsker (typisk propylenglykol for at opfylde kravene til fødevarekvalitet) dog betydelige ulemper:

- Termisk nedbrydning forårsaget af temperaturer over 120 °C genererer sure biprodukter, der øger korrosionshastigheden

- Årlig test og udskiftning af væsker medfører yderligere vedligeholdelsesomkostninger på ca. 18.000 kr./MWth

- En stigning i viskositeten på 35 % medfører større pumpeineffektivitet og en højere parasitær belastning

Robuste foranstaltninger mod frysebeskadigelse, såsom dræn-tilbage-systemer eller frostbestandig rørledning, kan anvendes i systemer med væskebaserede medier. Langvarig nedbrydning af væsken er ikke et problem. Propylenglykol-væsker kræves i regulerede miljøer, såsom fødevareproduktion, selvom de har ulemper.

Trinvis opstilling af flade solfangere til forskellige procesbelastninger (f.eks. pasteurisering versus rengøring) – temperaturzonestrategi

Opdeling af termiske kredsløb efter procesens temperaturzonering muliggør en bedre udnyttelse af solenergi over et bredt spektrum af variabel efterspørgsel. Den rumlige adskillelse af rengøringskredsløb ved lavere temperaturer (40–65 °C) og pasteuriseringskredsløb ved højere temperaturer (70–85 °C) gør det muligt at dimensionere solfangere optimalt og prioritere varmefordelingen. Denne fremgangsmåde omfatter:

- Parallelle kollektorarrayer, der er tilpasset specifikke belastningstemperaturer

- Prioriteringsventiler, der dirigerer solvarme til mere værdifulde processer, som er tidsfølsomme

- Temperaturregulerede afledere, der beskytter lavtemperaturprocesser mod overophedning

Bryggerier, der anvender denne metode, har rapporteret en 60 % reduktion af kedelbelastningen i perioder med maksimal solindstråling samt en 22 % forkortelse af tilbagebetalingstiden. Dette viser, at termisk trinvis processtyring kan optimere værdiopfangsten uden for systemomdesign fra flade solcellesystemer.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er temperaturgrænserne for solpladekollektorer i et industrielt miljø?

De fleste føde- og drikkevarerindustrier, tekstilfarvning samt udstyr til dampsterilisering anvender varme inden for intervallet 60–90 °C, og flade solkollektorer er vel egnet til dette formål.

Hvad forårsager den kraftige effektivitetsnedgang for flade kollektorer ved temperaturer over 85 °C?

Når absorberens temperatur stiger, øges både strålings- og konvektions-tabene, hvilket medfører en faldende effektivitet.

Hvordan er flade kollektorer blevet tilpasset for at opnå højere temperaturanvendelser?

I moderne anvendelser gør selektive absorberbelægninger og hybride vakuumisolationspaneler det muligt for flade pladekollektorer at operere op til 110 °C, hvilket giver en mere omfattende anvendelse.

Hvad er nogle vedligeholdelsesproblemer i forbindelse med brugen af glykol til varmeoverførsel?

Varmetransportvæsker er mere viskøse og fungerer mindre effektivt, har en tendens til at korrodere ved høje temperaturer (degraderer over 120 °C) og kræver mere hyppig testning, udskiftning samt tilknyttede omkostninger.

Hvad er nogle fordele ved temperaturzonering i et industrielt solsystem?

Anvendelse af temperaturzonering eller segmentering af de termiske kredsløb efter procesklasse muliggør den mest effektive udnyttelse af solenergi ved forskellige temperaturniveauer, hvilket forbedrer systemets samlede effektivitet og værdi.