Milyen hőátadó folyadékokat használnak a Demax napelemes hőrendszerben?

A hőátadó folyadékok fő típusai a Demax napelemes hőrendszerekhez

Víz: Legjobb alacsony hőmérsékletű, nyomás alatt működő Demax telepítésekhez

Napenergiás hőalkalmazásokhoz, amelyek 100 °C alatt működnek, a víz továbbra is az egyik leggazdaságosabb és leghatékonyabb hőhordozó folyadék. A víz előnyös tulajdonságai részben a viszonylag magas fajhőjéből (kb. 4,18 kJ/kg·K) erednek, miközben kevés szivattyúzási teljesítményt igényel. Nyomás alatt működő Demax rendszerrel történő hűtés esetén a víz ideális választás, mivel nem forrhat, biztonságos és környezetbarát. Ugyanakkor a víz 0 °C-on fagy meg, ezért ezek a rendszerek csak fagymentes területeken üzemelhetnek. Amikor a rendszerek téli körülmények miatt fagyzási kockázatnak vannak kitéve, a szakembereknek teljesen le kell üríteniük a vizet a károk elkerülése érdekében. Kontinentális mediterrán háztartásokban szerzett teljesítményadatok azt mutatják, hogy a 2023-as ESTIF (Európai Napenergiás Hőipari Szövetség) tanulmány szerint vízalapú rendszerek kb. 60%-os szezonális hatásfokot értek el.

Biztonságra és fagypontcsökkentésre összpontosító megoldások

A fagyásgátlás szempontjából a propilénglikol és víz keverékei nagy reményt keltő megoldást nyújtanak. Működésük mínusz 30 °C-ig biztosított, és kevésbé veszélyesek, mint az etilénglikolt tartalmazó alternatív megoldások, amelyek kifolyásuk esetén károsak lehetnek. Ezek a keverékek továbbá megakadályozzák a korróziót is, ha a rendszereket megfelelő útmutatások alapján, rozsdamentes acélból és egyes más műanyagokból építik fel. Hátrányuk, hogy a propilénglikol/víz keverékek 20 °C-on 30–50 százalékkal viszkózusabbak, mint a víz, így a szivattyúknak lényegesen nagyobb teljesítményt kell leadniuk. Ugyanakkor kiváló alacsony hőmérsékleti tulajdonságaik miatt ezek a hőátadó folyadékok a legtöbb észak-amerikai és észak-európai helyszínen az elsődleges választás. Nemrégiben a gyártók speciális, védjegyzett kémiai anyagok hozzáadásával további fejlesztést értek el, amelyek csökkentik a folyadék lebomlásának sebességét. Amikor a folyadékokat zárt körös Demax-rendszerekben tesztelik az előírt ipari szabványok szerint, becsült élettartamuk 5–7 év.

Hőmérséklet-stabil szilikonfolyadékok és levegő: speciális alkalmazások nyomásmentes, magas hőmérsékleten működő napenergiás hőtechnikai rendszerekben

A hőátadó szilikonfolyadékok az egyetlen folyadékok, amelyek hosszabb ideig üzemképesek a 200–400 °C közötti magas hőmérsékleten működő, nyomásmentes, nyílt körös koncentrált napenergiás hőtechnikai rendszerekben. A szilikonfolyadékok emellett rendelkeznek a szükséges hőátadó képességgel a koncentrált napenergiás hőtechnikai rendszerek magas hőmérséklet-tartományában történő alkalmazáshoz. A hőátadó folyadékokat azonban nem használják olyan rendszerekben, ahol a munkaközeg levegő. A levegő – különösen nyílt körös rendszerekkel kombinálva – működési megbízhatóságot és karbantartási egyszerűséget biztosít a nyomásmentes napenergiás hőtechnikai rendszerekben. Ennek a specializált folyadékoknak a kombinációja – még akkor is, ha optimalizált – kevesebb mint 15 százaléka az összes napenergiás hőtechnikai telepítés globális összességének.

Ez a szám az International Energy Agency 2024-es SolarPACES kezinitívjának legfrissebb piacelemzéséből származik.

Kulcsfontosságú kiválasztási szempontok a napenergiás hőátadó folyadékokhoz

Hőállóság és degradációs ellenállás

A napenergiás hőátadó folyadékok (HTF-ek) esetében a hosszú távú kémiai stabilitás elvárás, mivel egyes esetekben hosszabb időn keresztül – akár évekig is – közel 200 °C-os hőmérsékleten kell működniük. Amikor a folyadékok kémiai szempontból instabilak, ez negatív következményekkel jár az egész rendszerre nézve, például a hőteljesítmény csökkenésével. Egyes dokumentált esetekben a folyadékok hőteljesítménye öt év alatt 22%-kal csökkent. Ez gyakran a folyadék oxidációja miatti viszkozitás-növekedés és az ebből eredő iszapképződés következtében következik be. Az ilyen körülmények továbbá növelik a karbantartási igényt és csökkentik a hőcserélők hatékonyságát. Bár az oxidációt gátló adalékanyagok enyhíthetik a fent említett problémák egy részét, nagyobb hangsúlyt kell fektetni a folyadékok és a rendszer anyagainak hosszú távú kompatibilitására. A rendszer anyagai – például a réz és az alumínium, valamint egyes szelepszegélyekben található gumik – idővel különféle kémiai reakcióba léphetnek a folyadékkal. Különösen a nyomás alatt működő Demax rendszerek esetében becsült, hogy a korrodálódási sebesség a stabil folyadékok használata esetén kb. 30%-kal magasabb, mint az instabil folyadékok esetében.

Ez a kopásfajta nem csupán lerövidíti a berendezések élettartamát, hanem hosszú távon jelentősen megnöveli a karbantartási költségvetéseket.

Folyadék kiválasztása éghajlati övezetek szerint az észak-amerikai és európai napenergiás hőtechnikai piacon

A folyadék kiválasztását szigorúan be kell tartani a telepítési régió éghajlati szélsőségei tekintetében.

1. Északi és Közép-Európa: –30 °C-ig kell védelmet nyújtani. Ennek céljából a propilénglikol–víz keverék 50:50 arányban a de facto szabvány a hideg éghajlati körülmények között történő Demax-telepítéseknél, mivel a víz hőátviteli hatékonyságának több mint 85%-át megőrzi.

2. A Földközi-tenger térsége és az Egyesült Államok délnyugati része: A nyugalmi hőmérsékletek rendszeresen meghaladják a 300 °C-ot. A nyugalmi hőmérsékletek tehát magas hőállóságot és alacsony gőznyomást igényelnek. Ebben az összefüggésben a szilikonok jobban teljesítenek, mint a glikolok, mivel csúcsüzemhőmérsékleten gőznyomásuk 40%-kal alacsonyabb, mint a glikoloké, így csökken a nyomáscsökkentő szelepek aktiválásának gyakorisága, és ennélfogva a folyadékveszteség is.

3. Az Egyesült Államok északkeleti régiója példaként egy hibrid klímaterületre: Kettős védelemre van szükség. A legújabb generációs szénhidrogénhabok képesek –25 °C alatt is szivattyúzhatók maradni, valamint ellenállni a hőbontásnak akár 290 °C-os hőmérsékleten is. Ez lehetővé teszi az évenkénti üzembiztonságot anélkül, hogy a hatékonyság kompromittálódna.

Bár használatuk 12–15%-kal növeli a viszkozitást, ami nagyobb szivattyúzási erőfeszítést és nagyobb szivattyúhenger-átmérőt igényel, egyértelműen észlelhető a hőmérsékleti stabilitás szempontjából jobb folyadékok felé való elmozdulás iránya, annak ellenére, hogy ez további biztonsági korlátozásokat is jelent.

Hatékonyság, biztonság és rendszerkompatibilitás összehasonlítása napenergetikai alkalmazásokban

Hőfizikai kompromisszumok a fajhő, a viszkozitás és a szivattyúzási energia szempontjából, valamint az áramlás és a napenergetikai hozam kapcsolata

Minden folyadék általános hőteljesítményét három fizikai-kémiai tulajdonságuk alapján elemeztük: a folyadék hőenergia-tároló képessége (fajhő), a folyadék vastagsága (viszkozitás) és a folyadék hőbontása (hőállóság). A víz kiváló hőenergia-felnyelő (fajhője kb. 4,18 kJ/kg·K). Azonban problémák merülnek fel a víz e rendszerekben történő alkalmazásakor, mivel a hőmérséklet lecsökkenhet a fagyáspont alá. Ebben az esetben glikolkeverékek használata szükséges, bár ezek a folyadékok 30–50 %-kal nagyobb viszkozitásúak, mint a víz. Ez a növekedett viszkózus ellenállás további munkavégzést követel meg a szivattyúktól, ami általában 15–30 %-os energiafogyasztás-növekedést eredményez nagyipari rendszerekben, csökkentve ezzel a gyűjtött napenergia nettó mennyiségét. Bár a szilikonfolyadékok viszkozitása melegítés hatására nem nő annyira, fajhőjük korlátozott, 1,5–1,8 kJ tartományban mozog. Ennélfogva egy szilikonfolyadékokat használó üzemeltetőnek kétszer akkora folyadékáramlást kell biztosítania, mint amennyi víz esetében szükséges lenne. Ez a folyadékkezelés nagyobb szivattyúk igényét növeli, megnöveli az elektromos árammal kapcsolatos költségeket, és növeli a karbantartási terhelést.

A parabolikus árok típusú naperőművekben végzett valós világbeli tesztek megerősítették, hogy a nem összeillő folyadékok és szivattyúk hosszú távon 12–18 százalékkal csökkenthetik a hőteljesítményt. Jelentősen, az alacsony minőségű folyadékok gyorsabban bomlanak le, és már öt év után 50–80 százalékkal nagyobb viszkozitásúvá válhatnak, ami befolyásolja a folyadékáramlást. Ennek következtében a mérnököknek lényegében minden új folyadékot ki kell értékelniük a rendszer minden olyan komponensével szemben, amellyel érintkezni fog, beleértve a tágulási tartályokat, szelepeket, különösen pedig a forrasztott lemez hőcserélőket.

Gyakran Ismételt Kérdések

Mi a víz használatának elsődleges előnye a Demax rendszerekben?

A víz hatékonyabb a hőmozgatásban, mert fajhője magasabb, mint más folyadékoké. A fagymentes régiókban alkalmazható alacsony hőmérsékletű alkalmazásai és alacsony szivattyúzási energiavesztesége miatt különösen kedvelt folyadék.

Mik a propilén-glikol/víz keverékek használatának előnyei hideg éghajlati környezetben?

Ezek a keverékek sűrűbbek, mint a víz, és biztonságosabbak, mint az etilén-glikol alapú alternatívák. Előnyösen használják őket hideg éghajlati övezetekben alacsony hőmérséklet-állóságuk és növekedett viszkozitásuk miatt, különösen Észak-Amerikában és Észak-Európában.

Milyen jellemzők teszik lehetővé a szilikonfolyadékok alkalmazását magas hőmérsékleten történő felhasználásra?

A szilikonfolyadékok kiváló hőállósággal rendelkeznek, amely lehetővé teszi alkalmazásukat magas hőmérsékleten történő felhasználásra, például koncentrált napenergiás hőrendszerekben. Ezenkívül a szilikonfolyadékok alacsony gőznyomással rendelkeznek, ami csökkenti a nyomáscsökkentő berendezés aktiválódásának valószínűségét a maximális hőmérsékleteken.

Milyen hatással van a hőátadó folyadék kiválasztásának szempontrendszere a régió éghajlatára?

A rendszer megbízhatóságának és hatékonyságának maximalizálása érdekében hideg régiókban fagyvédelmi funkciót biztosító hőátadó folyadékokat kell használni, míg meleg régiókban olyan folyadékokat, amelyek kiváló hőállósággal rendelkeznek.