Aké tekutiny na prenos tepla sa používajú v solárnych tepelných systémoch Demax?

Základné možnosti tekutín na prenos tepla pre solárne tepelné systémy Demax

Voda: Najvhodnejšia pre nízkoteplotné, tlakové inštalácie Demax

Pre solárne tepelné aplikácie prevádzkované pri teplotách pod 100 °C zostáva voda jednou z najekonomickejších a najúčinnejších dostupných možností ako kvapalina na prenos tepla. Výhodné vlastnosti vody vyplývajú z jej relatívne vysokého merného tepelného obsahu (približne 4,18 kJ/kg·K), pričom vyžaduje len malú čerpadlovú energiu. Pri chladení za použitia tlakového systému Demax je voda ideálna, pretože sa nemôže vrieť a je bezpečná a ekologicky šetrná. Avšak voda zamŕzne pri 0 °C a preto tieto systémy môžu byť prevádzkované len v oblastiach bez mrazu. Ak je systém v dôsledku zimných podmienok ohrozený zamrznutím, technici musia vodu úplne vypustiť, aby sa predišlo poškodeniu. Výsledky z kontinentálnych stredozemných domácností ukázali, že v roku 2023 ESTIF (Európska federácia solárnej tepelnej priemyselnej výroby) preukázala, že zariadenia založené na vode dosiahli sezónnu účinnosť približne 60 %.

Riešenia zamerané na bezpečnosť a ochranu pred zamrznutím

Ak ide o ochranu pred zamrznutím, zmesi propylénglykolu a vody vykazujú veľký potenciál. Ich účinnosť sa zachováva až do teploty mínus 30 °C a sú menej nebezpečné ako iné dostupné možnosti, ktoré používajú etylénglykol a môžu byť pri úniku nebezpečné. Tieto zmesi tiež zabraňujú korózii, ak sa systémy konštruujú podľa príslušných pokynov s použitím nehrdzavejúcej ocele a určitých iných plastov. Na druhej strane sú zmesi propylénglykolu a vody pri teplote 20 °C o 30 až 50 percent hrššie ako voda, čo znamená, že čerpadlá musia pracovať výrazne intenzívnejšie. Avšak vzhľadom na ich vynikajúcu výkonnosť pri nízkych teplotách sú tieto zmesi preferovanou kvapalinou na prenos tepla v väčšine lokalít v Severnej Amerike a Severnej Európe. Nedávno výrobcovia dosiahli ďalší pokrok pridaním špecifických patentovaných chemikálií do kvapalín, ktoré znížia rýchlosť rozkladu kvapaliny. Pri testovaní kvapalín v uzavretých Demax systémoch podľa predpísaných priemyselných noriem sa odhaduje životnosť kvapalín na 5 až 7 rokov.

Termicky stabilné kremíkové kvapaliny a vzduch: špeciálne použitie v solárnych tepelných aplikáciách bez tlaku a pri zvýšených teplotách

Kremíkové kvapaliny na prenos tepla sú jediné kvapaliny, ktoré zostávajú funkčné po predĺžené obdobia v nezatvorenom (otvorenom) kruhovom koncentrovanom solárnom tepelnom systéme bez tlaku, ktorý pracuje pri zvýšených teplotách v rozsahu od 200 do 400 °C. Kremíkové kvapaliny majú tiež potrebnú schopnosť prenosu tepla pre použitie v oblasti vysokých teplôt v koncentrovaných solárnych tepelných systémoch. Kvapaliny na prenos tepla sa však nepoužívajú v systémoch, v ktorých je pracovnou látkou vzduch. Vzduch v kombinácii s otvorenými kruhovými systémami zabezpečuje prevádzkovú spoľahlivosť a jednoduchosť údržby v nezatvorených solárnych tepelných systémoch. Podiel týchto špeciálnych kvapalín, aj keď sú optimalizované, je nižší ako 15 percent celkovej svetovej kapacity inštalácií solárnych tepelných systémov.

Toto číslo pochádza z najnovšej analýzy trhu v rámci iniciatívy Medzinárodnej agentúry pre energiu SolarPACES z roku 2024.

Kľúčové kritériá pre výber teplonosných kvapalín pre solárne tepelné systémy

Teplotná stabilita a odolnosť voči degradácii

Pri tepelných kvapalinách (HTF) v solárnych tepelných aplikáciách sa očakáva ich dlhodobá chemická stabilita, pričom v niektorých prípadoch musia po dobu niekoľkých rokov pôsobiť v blízkosti teploty 200 °C. Ak sú kvapaliny chemicky nestabilné, má to negatívne dôsledky pre celý systém, vrátane zníženia tepelnej účinnosti. V niektorých zdokumentovaných prípadoch sa tepelná účinnosť kvapalín za päťročné obdobie znížila až o 22 %. Toto sa často spôsobuje zvýšenou viskozitou spôsobenou oxidáciou kvapaliny a následným vznikom šľaha. Takéto podmienky tiež vedú k vyššej údržbe a zníženému výkonu výmenníkov tepla. Hoci inhibítory oxidácie môžu zmierňovať niektoré z vyššie uvedených problémov, je potrebné venovať väčšiu pozornosť kompatibilitě kvapalín so systémovými materiálmi v priebehu času. Systémové materiály, ako napríklad meď a hliník, ale aj gumy v tesniacich kruhoch niektorých ventilov, môžu v priebehu času podliehať rôznym chemickým reakciám s kvapalinou. Najmä v tlakových systémoch Demax sa odhaduje, že rýchlosť korózie je približne o 30 % vyššia pri kvapalinách, ktoré sú stabilné, v porovnaní s kvapalinami nestabilnými.

Tento typ opotrebovania neznižuje len životnosť zariadení. Zároveň výrazne zvyšuje rozpočet na údržbu v dlhodobom horizonte.

Výber kvapaliny podľa klimatických pásiem na trhu so slnečnou tepelnou energiou v Severnej Amerike a Európe

Pri výbere kvapaliny je potrebné prísne dodržiavať extrémne klimatické podmienky v oblasti inštalácie.

1. Severné krajiny a Stredná Európa: Musí byť zabezpečená ochrana do –30 °C. Na tento účel je zmes propylénglykolu a vody v pomere 50:50 de facto štandardom pre nasadenie systémov Demax v chladných klimatických podmienkach, keďže udržiava viac ako 85 % účinnosti prenosu tepla vody.

2. Stredozemné regióny a juhozápad Spojených štátov: Teploty pri staze pravidelne presahujú 300 °C. Teploty pri staze teda vyžadujú vysokú tepelnú stabilitu v kombinácii s nízkym tlakom pary. V tomto ohľade sa kremíkové oleje preukazujú lepšie ako glykoly, pretože ich tlak pary je pri maximálnych prevádzkových teplotách o 40 % nižší ako u glykolov, čím sa zníži frekvencia aktivácie tlakových ventilov a tým aj strata kvapaliny.

3. Severovýchod Spojených štátov ako príklad hybridného klímu: Je potrebný dizajn s dvojnásobnou ochranou. Najnovšia generácia uhľovodíkových pien má schopnosť zostať čerpatelná aj pri teplotách pod –25 °C a zároveň odolávať tepelnej degradácii pri teplotách až 290 °C. To umožňuje bezpečný prevádzkový chod po celý rok bez kompromisov v účinnosti.

Hoci ich použitie zvyšuje viskozitu o 12–15 %, čo vedie k vyššiemu úsiliu potrebnému na čerpanie a k väčším priemerom čerpadlových valcov, je zrejmý trend smerujúci k používaniu teplenejšie stabilných kvapalín, napriek dodatočným bezpečnostným obmedzeniam, ktoré kladú.

Porovnanie výkonnosti z hľadiska účinnosti, bezpečnosti a kompatibility so systémom v solárnych tepelných aplikáciách

Termofyzikálne kompromisy v súvislosti so špecifickou tepelnou kapacitou, viskozitou a energetickými nárokmi na čerpanie pri toku vzhľadom na solárny tepelný výnos

Celkový tepelný výkon každej kvapaliny bol analyzovaný v súvislosti s tromi fyzikálno-chemickými vlastnosťami kvapaliny: schopnosťou kvapaliny ukladať tepelnú energiu (merná tepelná kapacita), hrúbkou kvapaliny (viskozitou) a tepelným rozkladom kvapaliny (tepelnou stabilitou). Voda je vynikajúcim absorberom tepelnej energie (merná tepelná kapacita je približne 4,18 kJ na kg a stupeň K). Avšak pri použití vody v týchto systémoch vznikajú problémy, pretože teploty môžu klesnúť pod bod mrazu. V takých prípadoch je nutné použiť zmesi glykolu, hoci tieto kvapaliny majú o 30 až 50 % vyššiu viskozitu ako voda. Tento dodatočný odpor viskóznej kvapaliny vyžaduje, aby čerpadlá vykonali viac práce, čo zvyčajne vedie k nárastu spotreby energie o 15 až 30 % v rozsiahlych priemyselných systémoch a zníženiu celkovej množstva zhromaždenej slnečnej energie. Hoci sielikónové kvapaliny nie sú pri zahrievaní také viskózne, ich merná tepelná kapacita je obmedzená na rozsah 1,5 až 1,8 kJ. Preto musí prevádzkovateľ používajúci sielikónové kvapaliny zabezpečiť dvojnásobný prietok kvapaliny v porovnaní s prietokom potrebným pri použití vody. Toto riadenie kvapaliny zvyšuje potrebu väčších čerpadiel, zvyšuje náklady spojené s elektrickou energiou a zvyšuje záťaž údržby.

V reálnych testoch na elektrárňach s parabolickými žľabmi bolo potvrdené, že nesúlad medzi kvapalinami a čerpadlami môže v priebehu času znížiť tepelný výkon o 12 – 18 percent. Významne sa tiež ukázalo, že nižšej kvality kvapaliny sa rozkladajú rýchlejšie a už po 5 rokoch môžu zvýšiť svoju viskozitu o 50 – 80 percent, čo ovplyvňuje prietok. Preto inžinieri musia v podstate vyhodnotiť každú novú kvapalinu vo vzťahu ku každej súčasti systému, s ktorou bude prichádzať do styku, vrátane expanzných nádob, ventilov a najmä pájkovaných doskových výmenníkov tepla.

Často kladené otázky

Aký je hlavný výhodou použitia vody ako kvapaliny na prenos tepla v systémoch Demax?

Voda je účinnejšia pri prenose tepla, pretože má vyššiu mernú tepelnú kapacitu ako iné kvapaliny. Jej použitie pri nízkych teplotách v oblastiach bez mrazu a nízke straty energie pri čerpaní ju robia veľmi žiaducou kvapalinou.

Aké sú výhody používania zmesí propylénglykolu a vody v chladných klímatoch?

Tieto zmesi sú hustejšie ako voda a bezpečnejšie ako možnosti na báze etylénglykolu. Sú uprednostňovanou voľbou v chladných oblastiach vzhľadom na ich odolnosť voči nízkym teplotám a zvýšenú viskozitu, najmä v Severnej Amerike a Severnej Európe.

Aké sú vlastnosti kremíkových kvapalín, ktoré umožňujú ich použitie v aplikáciách za vysokých teplôt?

Kremíkové kvapaliny vykazujú výnikajúcu tepelnú stabilitu, čo umožňuje ich použitie v aplikáciách za vysokých teplôt, napríklad v koncentrovaných solárnych tepelných systémoch. Okrem toho majú kremíkové kvapaliny nízky tlak pár, čo minimalizuje riziko aktivácie tlakového uvoľňovania pri maximálnych teplotách.

Aké sú dôsledky kritérií výberu pre podnebie danej oblasti pri výbere kvapaliny na prenos tepla?

Aby sa maximalizovala spoľahlivosť a účinnosť systému, v chladných oblastiach sa mala používať kvapalina na prenos tepla s ochranou proti zamrznutiu, zatiaľ čo v teplých oblastiach sa mali používať kvapaliny s vysokou tepelnou stabilitou.