Katera toplotna prenosna sredstva se uporabljajo v sončnih toplotnih sistemih Demax?

Osnovne možnosti toplotnih prenosnih sredstev za sončne toplotne sisteme Demax

Voda: najprimernejša za namestitve Demax z nizko temperaturo in pod tlakom

Za sončne toplotne aplikacije, ki delujejo pri temperaturah pod 100 stopinj Celzija, ostaja voda ena najbolj ekonomičnih in učinkovitih razpoložljivih možnosti kot toplotni nosilec. Ugodne lastnosti vode izvirajo iz njene relativno visoke specifične toplote (približno 4,18 kJ na kg K), hkrati pa za črpanje zahteva le majhno moč. Pri hlajenju s pritiskanim sistemom Demax je voda idealna, saj se ne vre in je varna ter okolju prijazna. Voda se vendar zmrzne pri 0 stopinj Celzija, zato ti sistemi delujejo le v območjih brez mrazu. Ko obstaja nevarnost zmrzovanja sistema zaradi zimskih razmer, morajo tehničarji vodo popolnoma izprazniti, da se izognemo poškodbam. Podatki o učinkovitosti iz kontinentalnih sredozemskih domov kažejo, da je leta 2023 ESTIF (Evropska federacija toplotne sončne industrije) dokazal, da so sistemi na osnovi vode dosegli približno 60-odstotno sezonsko učinkovitost.

Rešitve, osredotočene na varnost in zaščito pred zmrzovanjem

Ko gre za zaščito pred zamrzovanjem, mešanice propilenglikola in vode kažejo veliko obljube. Delujejo še pri temperaturah do minus 30 stopinj Celzija in so manj nevarne kot druge razpoložljive možnosti, ki uporabljajo etilenglikol in lahko predstavljajo nevarnost v primeru uhajanja. Te mešanice tudi preprečujejo korozijo, če so sistemi zgrajeni v skladu z ustrezni navodili s pomočjo nerjavnega jekla in določenih drugih plastičnih materialov. Na žalost so mešanice propilenglikola/vode pri 20 stopinjah Celzija za 30 do 50 odstotkov bolj viskozne kot voda, zato morajo črpalke delovati znatno intenzivnejše. Kljub temu, ker izjemno dobro delujejo pri nizkih temperaturah, so te mešanice najpogosteje uporabljeni toplotni prenosni medij za večino lokacij v Severni Ameriki in Severni Evropi. Nedavno so proizvajalci z dodajanjem določenih lastnih zaščitenih kemikalij tekočinam dosegli izboljšanje, kar zmanjšuje hitrost razgradnje tekočine. Ko se tekočine preskusijo v zaprtih sistemih Demax v skladu z določenimi industrijskimi standardi, se ocenjuje, da bodo trajale 5 do 7 let.

Toplotno stabilni silikonski tekočini in zrak: specializirane uporabe v sončnih toplotnih aplikacijah brez tlaka in pri povišanih temperaturah

Silikonske tekočine za prenos toplote so edine tekočine, ki ostanejo delovne v raztegnjenem časovnem obdobju v nepodtlaknih odprtih zankah koncentriranih sončnih toplotnih sistemov, ki delujejo pri povišanih temperaturah med 200 in 400 °C. Silikonske tekočine imajo tudi sposobnost prenosa toplote, potrebno za uporabo v visokotemperaturnem območju koncentriranih sončnih toplotnih sistemov. Vendar se tekočine za prenos toplote ne uporabljajo v sistemih, kjer je delovno sredstvo zrak. Zrak v kombinaciji z odprtimi zankami zagotavlja obratovalno zanesljivost in enostavnost vzdrževanja v nepodtlaknih sončnih toplotnih sistemih. Kombinacija teh specializiranih tekočin, tudi če so optimizirane, predstavlja manj kot 15 odstotkov skupnega svetovnega števila sončnih toplotnih namestitve.

To število izhaja iz najnovejše tržne analize Mednarodne agencije za energijo v okviru iniciative SolarPACES leta 2024.

Ključni kriteriji izbire toplotnih tekočin za prenos toplote v sončnih termičnih sistemih

Toplotna stabilnost in odpornost proti razgradnji

Pri uporabi tekočin za prenos toplote (HTF) v sončnih toplotnih sistemih se pričakuje, da bodo na dolgi rok kemično stabilne, saj morajo v nekaterih primerih več let ostati v bližini temperature 200 stopinj Celzija. Če so tekočine kemično nestabilne, ima to negativne posledice za celoten sistem, vključno z zmanjšanjem toplotne učinkovitosti. V nekaterih dokumentiranih primerih je prišlo do zmanjšanja toplotne učinkovitosti tekočin za 22 % v petletnem obdobju. To je pogosto posledica povečane viskoznosti, ki jo povzroča oksidacija tekočine in nastanek mulja. Takšni pogoji prav tako povzročajo povečane vzdrževalne potrebe ter zmanjšano učinkovitost toplotnih izmenjevalcev. Čeprav oksidacijski inhibitorji lahko delno zmanjšajo omenjene težave, je potrebna večja pozornost združljivosti tekočin s sistemskega materiala skozi čas. Sistemske materiale, kot so baker in aluminij, pa tudi guma v nekaterih ventilskih tesnilih, lahko skozi čas različne kemične reakcije poškodujejo. Še posebej pri podtlakom delujočih sistemih Demax se ocenjuje, da je hitrost korozije približno za 30 % višja pri stabilnih tekočinah kot pri nestabilnih tekočinah.

Ta vrsta obrabe in poškodb ne skrajša le življenjske dobe opreme. Prav tako v dolgoročnem obdobju bistveno poveča proračune za vzdrževanje.

Izbira tekočine glede na podnebne cone na trgu sončne toplotne energije v Severni Ameriki in Evropi

Izbira tekočine mora strogo upoštevati ekstremne podnebne razmere v regiji namestitve.

1. Severna Evropa in osrednja Evropa: Zaščita je potrebna do –30 °C. Za to namen je mešanica propilenglikola in vode v razmerju 50:50 dejanski standard za namestitve Demax v hladnih podnebnih razmerah, saj ohranja več kot 85 % učinkovitosti prenosa toplote vode.

2. Sredozemlje in jugozahod Združenih držav Amerike: Temperatura zastajanja redno presega 300 °C. Temperatura zastajanja zahteva zato visoko temperaturno stabilnost v kombinaciji z nizkim parnim tlakom. V tem smislu silikoni prekašajo glikole, saj je njihov parni tlak pri najvišjih obratovalnih temperaturah za 40 % nižji kot pri glikolih, kar zmanjšuje pogostost aktivacij tlakomernih ventilov in s tem tudi izgubo tekočine.

3. Severovzhod Združenih držav Amerike kot primer hibridnega podnebja: Potrebna je konstrukcija z dvojno zaščito. Najnovejša generacija ogljikovodikovih pen ima sposobnost ostati črpabilna pri temperaturah pod –25 °C ter zdržati termično razgradnjo pri temperaturah do 290 °C. To omogoča varno letno obratovanje brez izgube učinkovitosti.

Čeprav njihova uporaba poveča viskoznost za 12–15 %, kar vodi do večjega naporza črpanja in večjih premerov črpalk, je opazna tendenca k uporabi toplotno bolj stabilnih tekočin, kljub dodatnim varnostnim omejitvam, ki jih naložijo.

Primerjava zmogljivosti glede učinkovitosti, varnosti in združljivosti sistema v solarnih toplotnih aplikacijah

Termofizični kompromisi v zvezi s specifično toploto, viskoznostjo in energijo za črpanje pri pretoku ter njihov vpliv na solarni toplotni izkoristek

Skupna toplotna učinkovitost vsake tekočine je bila analizirana v povezavi s tremi fizikalno-kemijskimi lastnostmi tekočine: sposobnostjo shranjevanja toplotne energije (specifična toplota), debelino tekočine (viskoznost) in toplotnim razgradanjem tekočine (toplotna stabilnost). Voda je odličen toplotni energije absorbent (specifična toplota znaša približno 4,18 kJ na kg na stopinjo K). Vendar se pri uporabi vode v teh sistemih pojavijo težave, saj se lahko temperature spustijo pod ledišče. V takih primerih je potrebna uporaba mešanic glikola, čeprav so te tekočine za 30 do 50 % bolj viskozne kot voda. Ta dodatna viskozna odpornost tekočine zahteva več delovne moči črpalk, kar običajno povzroči povečanje porabe energije za 15 do 30 % v velikih industrijskih sistemih in zmanjša neto zbrano sončno energijo. Čeprav silikonske tekočine niso tako viskozne ob segrevanju, je njihova specifična toplota omejena na območje med 1,5 in 1,8 kJ. Zato mora obratovalka ali obratovalnik, ki uporablja silikonske tekočine, zagotoviti dvakrat večjo pretok tekočine kot bi bil potreben pri uporabi vode. To upravljanje tekočine poveča potrebo po večjih črpalkah, poveča stroške električne energije in poveča breme za vzdrževanje.

S preizkušanjem v praksi na sončnih elektrarnah z paraboličnimi žlebi je bilo potrjeno, da lahko nezdružljivi tekočini in črpalke z leti zmanjšajo toplotni izhod za 12–18 odstotkov. Pomembno je, da se nizi kakovosti tekočine hitreje razgrajujejo in že po petih letih postanejo 50–80 odstotkov bolj viskozne, kar vpliva na pretok. Zato morajo inženirji bistveno oceniti vsako novo tekočino skupaj z vsakim sestavnim delom sistema, s katerim bo prihajala v stik, vključno z razteznimi rezervoarji, ventili in še posebej z izmenjevalniki toplote s ploščami, spojenimi z mesingom.

Pogosta vprašanja

Kakšna je glavna prednost uporabe vode kot toplotnega nosilca v sistemih Demax?

Voda je učinkovitejša pri prenašanju toplote, ker ima višjo specifično toploto kot druge tekočine. Njena uporaba pri nizkih temperaturah v območjih brez mrazu ter nizke izgube energije zaradi črpanja jo naredita zelo priželjeno tekočino.

Kakšne so prednosti uporabe mešanic propilenglikola in vode v hladnih podnebjih?

Te mešanice so gostejše od vode in varnejše kot možnosti na osnovi etilenglikola. Prednostno se uporabljajo v hladnih regijah zaradi njihove odpornosti proti nizkim temperaturam in povečane viskoznosti, zlasti v Severni Ameriki in Severni Evropi.

Kakšne so lastnosti silikonskih tekočin, ki omogočajo njihovo uporabo v aplikacijah pri visokih temperaturah?

Silikonske tekočine izkazujejo izjemno termično stabilnost, kar omogoča njihovo uporabo v aplikacijah pri visokih temperaturah, na primer v koncentriranih sončnih toplotnih sistemih. Poleg tega imajo silikonske tekočine nizek parni tlak, kar zmanjšuje verjetnost aktivacije varnostnega sproščanja tlaka pri najvišjih temperaturah.

Kakšne so posledice kriterijev izbire toplotnega nosilca glede na podnebje regije?

Za maksimiranje zanesljivosti in učinkovitosti sistema je v hladnih regijah treba uporabiti toplotne nosilce z zaščito pred zamrzovanjem, medtem ko je v toplih regijah treba uporabiti tekočine z visoko termično stabilnostjo.