EN
Prilagajanje izhodne toplote ploščatih sončnih kolektorjev zahtevam industrije po toploti
Nizko- in srednjetemperaturni industrijski procesi, ki uporabljajo ploščate sončne kolektorje
Ploščati sončni kolektorji so dobro prilagojeni za izpolnjevanje zahtev industrijskih procesov, ki potrebujejo toploto v območju 60–90 °C. Med primere takih procesov spadajo predogrev hrane in pijač (60–80 °C), barvanje tekstilov (70–90 °C) ter sterilizacija opreme in materialov (70–85 °C). Vsi ti procesi so dobro usklajeni z omejitvami toplotnega izhoda standardnih ploščatih sistemov, saj pride do hitrega in pomembnega zmanjšanja učinkovitosti ob povišanju temperature nad 85 °C. Na primer, mlečna pasterizacija je nadzorovan toplotni proces, ki zahteva temperaturo 72–75 °C, kar je v celoti znotraj delovnega območja obstoječih ploščatih sončnih kolektorjev. V poročilu IEA SHC Task 49 je navedeno, da proizvodne industrije, ki uporabljajo procesno toploto < 90 °C, porabijo 65 % globalne energije, ki se porabi v proizvodnji. To poudarja, da obstaja pomembna priložnost za dekarbonizacijo globalne porabe energije s ciljno integracijo sončne toplote.
Študija primerov nedavnih izvedb za predogrev pivnic in barvanje tekstilov.
Dejanska namestitev potrjuje tehnično in ekonomsko izvedljivost teh sistemov, kot je prikazano v naslednjih primerih.
Nemška pivnica, ki uporablja ploščatih kolektorjev, je z predogrevom vode za pranje na 75 °C dosegla zmanjšanje porabe naravnega plina za 40 %.
Poleg tega je tekstilna proizvodna obrat z večstopenjskimi nizi kolektorjev in stratificiranim toplotnim shranjevalnikom dosegla sončno frakcijo 68 % za barvalne kade (85 °C).
Med delno oblačnimi razmerami, ko je bila prisotna časovna sevanja, sta oba sistema pokazala sposobnost zagotavljanja skladnega izhoda zahvaljujoč izboljšanim selektivnim absorbirnim premazom, ki so znatno zmanjšali emisijske izgube; toplotna učinkovitost sistemov je v praksi bila za 12–18 % višja kot pri starejših sistemih. To dokazuje, da se na tehnologijo ploščastih sončnih kolektorjev lahko zanesemo pri zagotavljanju skladnih industrijskih toplotnih obremenitev, kadar so toplotne zahteve v tesni bližini oskrbe s toploto iz sončne energije.
Meje obratovalnih temperatur ploščastih sončnih kolektorjev v industrijski rabi.
Zakaj učinkovitost začne upadati nad 85 °C: dinamika toplotnih izgub in empirični podatki iz IEA SHC Task 69
Učinkovitost sončnih kolektorjev se znatno zmanjša nad 85 °C zaradi povečanih izgub zaradi sevanja in konvekcije. Višja je temperatura absorbenta, večja je hitrost sevanja (po Stefan-Boltzmannovem zakonu) in večja je hitrost konvekcije med absorbentom in stekleno površino. IEA SHC Task 69 (2023) je izmeril 22 % zmanjšanje učinkovitosti pri 95 °C v primerjavi z 75 °C pri isti sončni osvetlitvi, s čimer je potrdil 85 °C kot praktično mejo običajnih ravnih ploščastih kolektorjev brez napredne izolacije. Tako nad to temperaturo izgube toplote presegajo dobitke toplote iz sonca in parne procese nad 100 °C ni mogoče izvesti brez uporabe drugih tehnologij.
Inovacije za razširitev uporabnega območja: selektivni absorbenti in hibridni vakuumski izolacijski sistemi
Premazi selektivnih absorbentov znatno povečajo delovni obseg z maksimizacijo sončne absorpcije premaza (do 95 %) in hkrati zmanjšanjem infrardeče emisije (5–10 %). Kombinacija selektivnih absorbentov z hibridnimi vakuumsko izoliranimi ploščami, ki odpravijo konvekcijske izgubne poti pod absorbentom, omogoča sodobnim ploščastim kolektorjem ohranjanje uporabne učinkovitosti do 110 °C. To omogoča uporabo kolektorjev v drugih aplikacijah, kot so sterilizacija visoke kakovosti in proizvodnja pare srednjega tlaka. Začetna poljska preskušanja in testiranja so potrdila, da ti sistemi nad 90 °C ustvarjajo približno 18 % več energije kot standardni ploščasti sistemi.
Razmiski o integraciji sistema za neprekinjeno industrijsko uporabo
Izbira toplotnih nosilcev: razmislek o uporabi podtlaknjenega voda nasproti mešanici glikola glede na korozijo, zaščito pred zamrzovanjem in vzdrževanje
Izbira tekočin za prenos toplote pomembno vpliva na življenjsko dobo, varnost in učinkovitost sistema. Pod tlakom nahajajoča se voda ima za 15 % višjo toplotno prevodnost kot mešanice glikola (Mednarodna agencija za energijo, 2023), kar povzroči višji izkoristek kolektorja in zmanjšanje energije, potrebne za črpanje. V okoljih, kjer je nevarnost zamrzovanja, pa imajo glikolne tekočine (običajno propilenglikol za skladnost z zahtevami za hrano) pomembne slabosti:
- Toplotna degradacija, povzročena s temperaturami nad 120 °C, ustvarja kisli stranski proizvod, ki povečuje hitrost korozije
- Letno testiranje in zamenjava tekočin povzročata dodatne stroške vzdrževanja v višini približno 18 000 USD/MWth
- Povečanje viskoznosti za 35 % povzroči večjo neucinkovitost črpalk in višjo parasitsko obremenitev
Za sisteme z vodnimi tekočinami se lahko uporabijo trpežne ukrepe za preprečevanje zamrzovanja, kot so odtekanje nazaj ali cevi, odporni na zamrzovanje. Dolgoročno poslabšanje lastnosti tekočine ni problem. V reguliranih okoljih, kot je na primer predelava hrane, je treba uporabljati propilenglikolske tekočine, kljub njihovim slabostim.
Faziranje ploščastih sončnih kolektorjev za različne procesne obremenitve (npr. pasirizacija nasproti pranju) – strategija temperaturnega zoniranja
Razdelitev toplotnih krogov po temperaturnih zonah omogoča boljšo izkoriščenost sončne energije pri širokem spektru spremenljivih potreb. Prostorsko ločitev krogov za pranje pri nižjih temperaturah (40–65 °C) in krogov za pasirizacijo pri višjih temperaturah (70–85 °C) omogoča optimalno dimenzioniranje sončnih kolektorjev ter določanje prednosti pri usmerjanju toplote. Ta pristop vključuje:
- Vzporedne nize kolektorjev, prilagojene posebnim temperaturam obremenitve
- Prioritetne ventile, ki usmerjajo sončno toploto v bolj pomembne procese, ki so občutljivi na čas
- Razdelilniki z regulirano temperaturo, ki zagotavljajo zaščito procesov nizke kakovosti pred pregrevanjem
Pivovarne, ki uporabljajo to metodo, so poročale o 60-odstotni zamenjavi obremenitve kotla med vrhunskimi sončnimi urami in 22-odstotnem skrajšanju dobe vračila naložbe. To kaže, da lahko termično faziranje procesov optimizira pridobitev vrednosti izven ponovnega oblikovanja sistema ravnih sončnih kolektorjev.
Pogosta vprašanja
Kakšne so temperaturne meje ravnih sončnih ploščastih kolektorjev v industrijskem okolju?
Večina industrijskih panog za proizvodnjo hrane in pijač, barvanje tekstilov ter oprema za sterilizacijo z vodno paro uporablja toploto v razponu 60–90 °C, kar je za ravne sončne kolektorje primerno.
Kaj povzroči dramatičen padec učinkovitosti ravnih sončnih kolektorjev nad 85 °C?
Ko se temperatura absorbatorja poveča, se povečajo tudi sevne in konvektivne izgube, kar povzroči padec učinkovitosti.
Kako so bili ravni sončni kolektorji prilagojeni za uporabo pri višjih temperaturah?
V sodobnih aplikacijah omogočajo selektivne absorberne prevleke in hibridni vakuumski izolacijski paneli, da ploščati kolektorji delujejo do 110 °C, kar omogoča širšo uporabo.
Kateri so nekateri vzdrževalni problemi, povezani z uporabo glikola za prenos toplote?
Tekočine za prenos toplote so bolj viskozne in manj učinkovito delujejo, imajo tendenco k koroziji pri visokih temperaturah (razgradnja nad 120 °C) ter zahtevajo pogostejše preiskave, zamenjave in povezane stroške.
Kakšne so prednosti temperaturnega zoniranja v industrijskem sončnem sistemu?
Uporaba temperaturnega zoniranja ali segmentacije toplotnih krogov po stopnji procesa omogoča najučinkovitejšo uporabo sončne energije na različnih temperaturnih nivojih, kar izboljša skupno učinkovitost in vrednost sistema.