EN
Adaptarea debitului de ieșire al colectorilor solari plani la cerința de căldură a industriei
Procese industriale la temperatură scăzută și medie care folosesc colectoare solare plane
Colectoarele solare cu placa plană sunt bine potrivite pentru a satisface cerințele proceselor industriale care necesită căldură în intervalul de temperatură 60–90 °C. Preîncălzirea produselor alimentare și băuturilor (60–80 °C), vopsirea textilelor (70–90 °C) și sterilizarea echipamentelor și materialelor (70–85 °C) sunt unele dintre procesele care necesită căldură în acest interval. Toate aceste aplicații se aliniază bine cu limitele de putere termică ale sistemelor standard cu placa plană, deoarece eficiența scade rapid și semnificativ odată cu creșterea temperaturii peste 85 °C. De exemplu, pasteurizarea laptelui este un proces controlat de încălzire care necesită 72–75 °C, temperatură perfect cuprinsă în intervalul de funcționare al colectorilor solari cu placa plană existenți. Raportul IEA SHC Task 49 indică faptul că industriile de fabricație care folosesc căldură de proces < 90 °C reprezintă 65 % din energia consumată la nivel global în industria de fabricație. Acest lucru subliniază existența unei oportunități semnificative de descarbonizare a energiei consumate la nivel global prin integrarea țintită a energiei termice solare.
Studiu de caz privind implementările recente pentru preîncălzirea berăriilor și a vopsirii textilelor.
Implementările din lumea reală confirmă viabilitatea tehnică și economică a acestor sisteme, așa cum se observă în următoarele cazuri.
O berărie cu sediul în Germania, care folosește colectoare plane, a obținut o reducere cu 40 % a consumului de gaz natural prin preîncălzirea apei de spălare la 75 °C.
De asemenea, o unitate de producție textilă a obținut o fracție solară de 68 % pentru cazanele de vopsire (85 °C), utilizând matrici etajate de colectoare și un sistem de stocare termică stratificat.
În condiții parțial înnorate, când era prezentă iradierea temporală, ambele sisteme au demonstrat capacitatea de a furniza o ieșire constantă datorită îmbunătățirii învelișurilor absorbante selective, care au redus în mod semnificativ pierderile prin emisie, iar performanța termică a sistemelor s-a dovedit a fi cu 12–18% mai ridicată în teren față de sistemele tradiționale. Aceasta demonstrează că tehnologia colectorilor plați poate fi considerată sigură pentru furnizarea unor sarcini termice industriale constante atunci când cerințele termice se află într-un domeniu apropiat de oferta termică solară.
Limitele temperaturilor de funcționare ale colectorilor solari plăți în aplicațiile industriale.
De ce eficiența începe să scadă peste 85 °C: Dinamica pierderilor termice și datele empirice din cadrul Task 69 SHC al IEA
Eficiența colectorilor solari scade semnificativ la temperaturi peste 85°C, ca urmare a pierderilor crescute prin radiație și convecție. Cu cât temperatura absorbantului este mai ridicată, cu atât este mai mare viteza de radiație (conform legii Stefan-Boltzmann) și mai mare viteza de convecție între absorbant și sticlă. IEA SHC Task 69 (2023) a măsurat o reducere de 22% a eficienței la 95°C comparativ cu 75°C, la aceeași iradiere solară, confirmând astfel 85°C ca limită practică pentru proiectele convenționale de colectoare plane fără izolație avansată. Astfel, dincolo de această temperatură, pierderile de căldură devin mai mari decât câștigurile de căldură solară, iar procesele de aburire la temperaturi peste 100°C nu sunt fezabile fără alte tehnologii.
Inovații privind extinderea domeniului de utilizare: absorbante selective și proiecte hibride de izolare în vid
Straturile de absorbitori selectivi măresc în mod semnificativ domeniul de funcționare prin maximizarea absorbției solare a stratului (până la 95%) și, în același timp, reducerea emisivității în infraroșu (5–10%). Combinarea absorbitorilor selectivi cu panouri izolate hibrid-vacuum, care elimină căile de pierdere prin convecție sub absorbitor, permite colectorilor plani moderni să mențină randamente utile până la 110°C. Aceasta va permite utilizarea colectorilor în alte aplicații, cum ar fi sterilizarea de înaltă calitate și generarea de abur la presiune medie. Primele încercări de teren și testări au confirmat că aceste sisteme, la temperaturi peste 90°C, generează aproximativ cu 18% mai mult decât sistemele standard de colectoare plane.
Considerații privind integrarea sistemului pentru utilizare industrială continuă
Selectarea fluidelor de transfer termic: apă sub presiune versus amestec glicol – considerații legate de coroziune, protecție împotriva înghețului și întreținere
Selectarea fluidelor de transfer termic are un efect semnificativ asupra duratei de viață, siguranței și eficienței sistemului. Apa sub presiune are o conductivitate termică cu 15% mai mare decât amestecurile de glicol (Agenția Internațională pentru Energie, 2023), ceea ce duce la o creștere a randamentului colectorului și la o reducere a energiei necesare pomparei. Totuși, în mediile predispuse la îngheț, fluidele pe bază de glicol (în mod obișnuit propilenglicol, pentru conformitatea cu cerințele privind siguranța alimentară) prezintă dezavantaje semnificative:
- Degradarea termică provocată de temperaturi care depășesc 120 °C generează subproduse acide care măresc viteza de coroziune
- Testarea anuală și înlocuirea fluidelor implică costuri suplimentare de întreținere de aproximativ 18 000 USD/MWth
- O creștere a vâscozității cu 35% determină o eficiență redusă a pompelor și o sarcină parazitară mai mare
Pot fi utilizate măsuri robuste de prevenire a înghețului, cum ar fi sistemul de golire inversă (drain-back) sau conductele rezistente la îngheț, în sistemele care folosesc fluide pe bază de apă. Deteriorarea pe termen lung a fluidului nu reprezintă o problemă. În mediile supuse reglementărilor, cum ar fi cele din domeniul prelucrării alimentelor, sunt obligatorii fluide pe bază de propilenglicol, chiar dacă acestea prezintă dezavantaje.
Etajarea colectorilor solari cu plăci plane pentru diferite sarcini de proces (de exemplu, pasteurizare versus spălare) – Strategia de zonare termică
Împărțirea circuitelor termice în funcție de zona de temperatură a procesului permite o utilizare mai eficientă a energiei solare în condiții de cerere variabilă și largă. Separarea spațială a circuitelor de spălare, care operează la temperaturi mai scăzute (40–65 °C), și a circuitelor de pasteurizare, care operează la temperaturi mai ridicate (70–85 °C), permite dimensionarea optimă a colectorilor solari și stabilirea priorității în direcționarea căldurii. Această abordare utilizează:
- Mase paralele de colectoare adaptate specific temperaturilor sarcinilor respective
- Valve de prioritate care direcționează căldura solară către procesele mai valoroase, care sunt sensibile la timp
- Divertori cu reglare a temperaturii care oferă protecție proceselor de calitate inferioară împotriva suprîncălzirii
Breweriile care folosesc această metodă au raportat o reducere de 60% a sarcinii cazanelor în orele de vârf ale radiației solare și o scădere de 22% a perioadei de recuperare a investiției. Aceasta demonstrează că etapizarea termică a proceselor poate optimiza captarea valorii, fără a fi necesară o redesenare a sistemului, în cazul sistemelor solare cu colectoare plane.
Întrebări frecvente
Care sunt limitele de temperatură ale colectorilor solari plani, într-un mediu industrial?
Majoritatea industriei alimentare și băuturilor, a vopsirii textilului și a echipamentelor de sterilizare cu abur utilizează căldură în intervalul 60–90 °C, iar colectorii solari plani sunt foarte potriviți pentru această gamă de temperaturi.
Ce cauzează scăderea bruscă a eficienței colectorilor solari plani la temperaturi peste 85 °C?
Pe măsură ce temperatura absorbitorului crește, pierderile prin radiație și convecție se intensifică, determinând o scădere a eficienței.
Care sunt unele modalități în care colectorii solari plani au fost adaptați pentru a atinge aplicații la temperaturi mai ridicate?
În aplicațiile moderne, straturile selective absorbante și panourile hibride de izolare în vid permit colectorilor plani să funcționeze până la 110°C, oferind o utilizare mai extinsă.
Care sunt unele probleme de întreținere legate de utilizarea glicolului ca fluid de transfer termic?
Fluidele de transfer termic sunt mai vâscoase și funcționează mai puțin eficient, au tendința de a coroda la temperaturi ridicate (se degradează peste 120°C) și necesită teste, înlocuiri și costuri asociate mai frecvente.
Care sunt unele avantaje ale zonării temperaturii într-un sistem solar industrial?
Utilizarea zonării temperaturii sau a segmentării circuitelor termice după gradul procesului permite cea mai eficientă utilizare a energiei solare la diferite niveluri de temperatură, îmbunătățind eficiența generală și valoarea sistemului.