EN
Tasolevyisten aurinkokollektorien tuoton säätäminen teollisuuden lämmönkäyttöön
Alhaisen ja keskilämpötilaiset teolliset prosessit, joissa käytetään tasolevyisiä aurinkokollektoreita
Tasolevyiset aurinkokollektorit ovat hyvin soveltuvia täyttämään teollisuusprosessien lämmöntarpeet, jotka vaativat lämpöä 60–90 °C:n lämpötilavälillä. Esilämmitys elintarvikkeissa ja juomissa (60–80 °C), tekstiilien värjäys (70–90 °C) sekä laitteiden ja materiaalien sterilointi (70–85 °C) ovat esimerkkejä prosesseista, joille tarvitaan lämpöä tällä välillä. Kaikki nämä sovellukset sopivat hyvin standardien tasolevykollektorijärjestelmien lämpötehon rajoihin, sillä tehokerroin laskee merkittävästi ja nopeasti, kun lämpötila nousee yli 85 °C:n. Esimerkiksi maitotuotteiden pastörointi on säädetty lämpöprosessi, jolle vaaditaan 72–75 °C, mikä on hyvin sisällä olemassa olevien tasolevykollektorien käyttöalueen rajoja. IEA SHC Task 49 -raportti kertoo, että valmistavat teollisuudet, jotka käyttävät prosessilämpöä < 90 °C, muodostavat 65 %:n osuuden maailmanlaajuisesta teollisuuden energian kulutuksesta. Tämä korostaa merkittävää mahdollisuutta teollisuuden energian kulutuksen dekarbonointiin integroimalla aurinkolämmön kohdennetusti.
Viimeaikaiset toteutukset: tapaustutkimus esilämmityksestä panimoihin ja värjäyksestä tekstiileihin.
Käytännön käyttöönotot vahvistavat näiden järjestelmien teknisen ja taloudellisen elinkelpoisuuden seuraavien tapausten perusteella.
Saksassa sijaitseva panimo, joka käyttää tasolevykokoja, saavutti 40 %:n vähentymän luonnonkaasun kulutuksessa esilämmittämällä pesuvettä 75 °C:n lämpötilaan.
Lisäksi tekstiiliteollisuuden valmistuslaitos saavutti 68 %:n aurinko-osuuden värjäyskasteloiden (85 °C) lämmityksessä vaiheittaisia keräinjärjestelmiä ja kerrostuneen lämpövaraston avulla.
Osittaisen pilvisissä olosuhteissa, jolloin aikallisesti vaihtelevaa säteilyä esiintyi, molemmat järjestelmät osoittautuivat kykeneviksi tuottamaan tasaisen lämpötehon ansiosta parannettuja valikoivia absorboivia pinnoitteita, jotka vähensivät merkittävästi emissiomenetyksiä; järjestelmien lämpösuorituskyky oli kenttätestien mukaan 12–18 % korkeampi verrattuna vanhoihin järjestelmiin. Tämä osoittaa, että litteän aurinkokollektorin teknologiaa voidaan luottavaisesti käyttää jatkuvien teollisten lämpökuormien tuottamiseen silloin, kun lämpötarpeet ovat lähellä aurinkolämmön saatavilla olevaa määrää.
Litteiden aurinkokollektorien käyttölämpötilojen rajat teollisissa sovelluksissa.
Miksi hyötysuhde alkaa laskea yli 85 °C: Lämpöhäviöiden dynamiikka ja empiiriset tiedot IEA SHC Task 69 -tutkimuksesta
Auringonkeräinten hyötysuhde laskee merkittävästi yli 85 °C:n lämpötiloissa, mikä johtuu säteily- ja konvektiomenetysten kasvusta. Mitä korkeampi absorberin lämpötila on, sitä suurempi on säteilyn määrä (Stefan–Boltzmannin lain mukaan) ja sitä suurempi konvektion määrä absorberin ja lasikatteen välillä. IEA SHC:n tehtävä 69 (2023) mittasi 22 %:n hyötysuhteen laskun 95 °C:ssa verrattuna 75 °C:een samalla auringonsäteilyllä, mikä vahvistaa 85 °C:n olevan käytännöllinen raja tavallisille tasolevykeräimen suunnittelumalleille ilman edistynyttä eristystä. Tämän lämpötilarajan ylittyessä lämmöhäviöt ylittävät auringonlämmön saannin, ja höyrystysprosessit yli 100 °C:n lämpötiloissa eivät ole mahdollisia ilman muita teknologioita.
Käyttökelpoisuusalueen laajentamisen innovaatiot: valikoivat absorberit ja hybridieristeiset tyhjiösuunnittelut
Valikoivien absorberien pinnoitteet lisäävät merkittävästi käyttöaluetta maksimoimalla pinnoitteen auringonabsorptiota (jopa 95 %) ja samalla vähentämällä infrapunasäteilyä (5–10 %). Valikoivien absorberien yhdistäminen hybridivuotoputkilla eristettyihin paneelielementteihin, jotka poistavat konvektiomenetyksen reitit absorberin alapuolelta, mahdollistaa nykyaikaisten tasoleppäkolektorien hyödyllisen hyötysuhteen säilymisen jopa 110 °C:n lämpötilassa. Tämä mahdollistaa kolektorien käytön muissakin sovelluksissa, kuten korkealaatuisessa steriloinnissa ja keskipaineisessa höyryn tuotannossa. Alustavat kenttäkokeet ja testit ovat vahvistaneet, että nämä järjestelmät tuottavat yli 90 °C:n lämpötiloissa noin 18 % enemmän kuin tavallisilla tasoleppäkolektorijärjestelmillä.
Järjestelmän integrointia koskevat näkökohdat jatkuvaa teollista käyttöä varten
Lämmönsiirtonesteen valinta: paineistettu vesi verrattuna glykoliseokseen – korroosion, jäätyminensuojan ja huollon näkökohdat
Lämmönsiirtonesteen valinnalla on merkittävä vaikutus järjestelmän kestävyyteen, turvallisuuteen ja tehokkuuteen. Paineistetulla vedellä on 15 % korkeampi lämmönjohtavuus kuin glykoliseoksilla (International Energy Agency, 2023), mikä johtaa korkeampaan kerääjän tuottoon ja pumppausta varten tarvittavan energian vähentymiseen. Kylmäsääntä esiintyvissä ympäristöissä glykolipohjaisten nesteiden (yleensä propyleeniglykoli elintarvikelaatuisuuden varmistamiseksi) käytöllä on kuitenkin merkittäviä haittoja:
- Lämpöhäviö, joka johtuu lämpötiloista yli 120 °C, aiheuttaa happamia sivutuotteita, jotka lisäävät korroosion nopeutta
- Nesteen vuotuiset testaukset ja vaihdot aiheuttavat lisähuoltokustannuksia noin 18 000 €/MWth
- Viskositeetin 35 %:n kasvu johtaa suurempaan pumppujen tehottomuuteen ja korkeampaan apukulutukseen
Kevyesti vedenpohjaisissa järjestelmissä voidaan käyttää vahvoja jäätyminen estäviä toimenpiteitä, kuten tyhjennysvirtausta tai jäätymiselle kestävää putkistoa. Nesteen pitkäaikainen rappeutuminen ei ole ongelma. Propyleeniglykoolipohjaisia nesteitä vaaditaan säänneltyihin ympäristöihin, kuten elintarviketeollisuuteen, vaikka niillä olisikin haittapuolia.
Tasomaisien aurinkokeräimien vaiheittainen käyttö eri prosessikuormille (esim. pastörointi vastaan pesu) – lämpötilavyöhykkeiden strategia
Lämpöpiirien jakaminen prosessilämpötilojen mukaan mahdollistaa paremman aurinkoenergian hyödyntämisen laajalla ja muuttuvalla kuormituskäyrällä. Pesupiirien tilallinen erottelu alempiin lämpötiloihin (40–65 °C) ja pastörointipiirien erottelu korkeampiin lämpötiloihin (70–85 °C) mahdollistaa aurinkokeräimien optimaalisen mitoituksen ja lämmön ohjaamisen prioriteettijärjestyksessä. Tämä lähestymistapa perustuu seuraaviin ratkaisuihin:
– rinnakkaiset keräinryhmät, jotka on suunniteltu tarkoituksenmukaisesti eri kuormalämpötiloille
– prioriteettiventtiilit, jotka ohjaavat aurinkolämmön aikalisästä riippuvaisiin ja arvokkaampiin prosesseihin
- Lämpötilaohjatut jakajat, jotka suojaavat alhaisen lämpötilaluokan prosesseja ylikuumenemiselta
Tätä menetelmää käyttävät panimot ovat ilmoittaneet 60 %:n kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan kattavan......
UKK
Mikä on aurinkopaneelikollektorien lämpötilarajoitus teollisuuskäytössä?
Useimmat elintarvike- ja juomateollisuuden, tekstiilivärjäyksen sekä höyrysterilointilaitteiden prosessit käyttävät lämpöä 60–90 °C:n lämpötila-alueella, ja tasapintaiset aurinkokollektorit ovat tähän hyvin sopivia.
Mikä aiheuttaa tasapintaisen kollektorin hyötysuhteen dramaattisen laskun yli 85 °C:n lämpötiloissa?
Kun absorberin lämpötila nousee, säteily- ja konvektiomenetykset kasvavat, mikä johtaa hyötysuhteen laskuun.
Mitä tapoja tasapintaisia kollektoreita on sopeutettu korkeamman lämpötilan sovelluksiin?
Nykysovelluksissa valikoivat absorboivat pinnoitteet ja hybridityyppiset tyhjiöeristyslevyt mahdollistavat litteiden keräinten toiminnan jopa 110 °C:n lämpötilassa, mikä laajentaa niiden käyttömahdollisuuksia.
Mitä huoltokysymyksiä liittyy glykolien käyttöön lämmönsiirrossa?
Lämmönsiirtoneesteet ovat viskoosimpia ja toimivat vähemmän tehokkaasti, ne voivat syövyttää korkeissa lämpötiloissa (heikentyvät yli 120 °C:n lämpötilassa) ja niitä on testattava, vaihdettava ja huollettava useammin, mikä lisää kustannuksia.
Mitä etuja lämpötilavyöhykkeiden käytöllä teollisessa aurinkojärjestelmässä on?
Lämpötilavyöhykkeiden hyödyntäminen tai lämpöpiirien jakaminen prosessiluokan mukaan mahdollistaa aurinkoenergian tehokkaimman käytön eri lämpötilatasoilla, mikä parantaa kokonaisjärjestelmän tehokkuutta ja arvoa.