Солнечные коллекторы генерируют тепловую энергию постоянно при наличии солнечной энергии. Иногда это может вызвать неблагоприятные условия для компонентов гелиосистемы. Это происходит тогда, когда отбор тепла в системе невозможен или нецелесообразен. В таких случаях солнечная система входит в стагнацию или, другими словами, начинается процесс застоя.  Этот процесс неблагоприятен для гелиосистем, однако и не стоит считать его аварийным. Избежать его практически невозможно и поэтому необходимо придерживаться ряда рекомендаций для предотвращения негативного воздействия процесса застоя.

Стагнация гелиосистемы чаще всего происходит в летнее время в комбинированных гелиосистемах с отбором энергии на отопление. Это связано с возникновением переизбытка тепловой энергии летом. Стагнации могут быть подвержены и любые другие солнечные системы при отключении электроэнергии или при отсутствии потребления горячей воды и тепловой энергии.

Процесс стагнации возникает в момент отключения циркуляции в контуре гелиосистемы при наличии солнечного излучения. При этом температура теплоносителя в солнечных коллекторах возрастает до максимального значения и превышает температуру кипения, вследствие чего происходит кипение жидкости в коллекторе. Вследствие резко возрастет и давление в гелиоконтуре.

Процессы, происходящие в солнечном коллекторе при стагнации гелиосистемы

1. Расширение жидкости

1 фаза стагнации

При остановке насоса температура в коллекторе растет, пока не будет достигнута температура кипения теплоносителя. Давление при этом возрастет незначительно, примерно на 1 бар.

2. Испарение теплоносителя

2 фаза стагнации

Большое количество жидкости вытесняется в расширительный бачок из-за формирования в коллекторе насыщенного пара. В результате давление в системе начинает возрастать быстрее.  Жидкость с температурой близкой к температуре кипения может дойти до компонентов гелиоконтура, подвергая их температурному стрессу.

3. Кипение в коллекторе

3 фаза стагнации

Оставшийся теплоноситель в коллекторе начинает испарение и распространяет энергию в виде пара по системе.  При этом, возможен нагрев некоторых компонентов системы до температуры кипения при конденсации теплоносителя.

4. Перегрев

4 фаза стагнации

Теплоноситель продолжает испаряться, и в коллекторе образовывается перегретый пар. При этом незначительно уменьшается давление а коллектор становится практически сухим.

5. Заполнение теплоносителя

5 фаза стагнации

При уменьшении солнечной инсоляции, температура в коллекторе и давление в гелиосистеме снижается. Парообразный теплоноситель конденсируется и солнечные коллекторы снова заполняются жидким теплоносителем.

Парообразование в гелиосистеме может быть  незначительным, вследствие этого уменьшается негативное воздействие стагнации на компоненты солнечной системы, особенно это касается теплоносителя.  Для этого необходимо чтобы третья фаза стагнации была как можно короче. Это происходит тогда, когда во второй фазе теплоноситель полностью вытесняется из коллекторов и практически не кипит в них.

Способность к опорожнению солнечных коллекторов

Способность к опорожнению солнечных коллекторов

Этот процесс называется способностью к опорожнению коллектора. У различных гелиоколлекторных полей и отдельно взятых коллекторов эта способность различна и зависит от многих факторов, таких как, прокладка магистрали, объем расширительного бака, угол наклона коллекторов и тип солнечного коллектора.  У плоских солнечных коллекторов, как правило, способность к опорожнению выше, чем у вакуумных трубчатых коллекторов. Поэтому очень важно на стадии проектирования и монтажа учесть факторы, которые бы способствовали к улучшению способности к опорожнению гелиополя.

График стагнации

График зависимости давления в солнечных коллекторах для различных солнечных коллекторов во время стагнации (исследования)

 

Меры для снижения влияния стагнации гелиосистемы

В случае если все же невозможно добиться максимальной способности к опорожнению солнечных коллекторов, следует применять ряд мер, которые минимизируют негативное влияние во время стагнации гелиосистемы, или будут препятствовать к её возникновению.

Расширительный бак должен компенсировать объем теплоносителя при закипании

Необходимо правильно рассчитать объем расширительного бака, так чтобы он смог компенсировать весь теплоноситель с учетом объема в солнечных коллекторах.

Формула по которой можно рассчитать минимальный объем мембранного расширительного бака:

Gel_For_2

  • VЗ – объем заполнения гелиоконтура, л;
  • VК – емкость солнечного коллектора, л;
  • n – коэффициент расширения (для воды при нагреве от 20 до 100 °С n = 0,042);
  • nК – количество солнечных коллекторов;
  • p0 – давление заполнения системы, бар;
  • pmax – давление в системе при стагнации, бар.

Величину p0 обычно считают равной:

p0 = 0,1·hстат. + 0,7,  где

  • hсртат. – высота в метрах между серединой расширительного бака и наивысшей точкой гелиосистемы.

Давление в состоянии стагнации, обозначаемое как pmax, бар, выбирается из условия:

pmax ≤ pПК – 0,2 для pПК ≤ 3 бар;
pmax ≤ 0,9 · pПК для pПК > 3 бар,

  • pПК – давление срабатывания предохранительного клапана.

Применение предварительного бака или теплообменника охладителя

Удаление энергии от коллекторов через пар во время стагнации. Этот вариант снижает термическую нагрузку только на компоненты системы (на теплоноситель влияние не снижается) уже во время наступления стагнации гелиосистемы. При слабой способности к опорожнению в коллекторах, образовавшийся пар может достичь некоторых компонентов системы и вывести их из строя. Особенно могут пострадать циркуляционный насос и мембрана расширительного бака. Для предотвращения попадания высоких температур на эти компоненты используют специальные промежуточные теплообменники и промежуточные баки.промежуточный бак-теплообменник

Схема реализации защиты расширительного бака

Энергия пара и радиус его действия

Удельный объем и радиус распространения пара, образовавшегося во время третьей фазы зависит от способности опорожнения коллекторного поля и от удельных теплопотерь  в коллекторах и трубопроводах. Приблизительные значения удельной мощности парообразования для хорошо опорожняемых систем равна 50-60 Вт/м² в то время как для плохо опорожняемых систем 120-200 Вт/м². Рассчитав радиус действия пара, принимая во внимание длину магистрали гелиосистемы,  мы сможем оценить достигнет ли пар до уязвимых компонентов системы. Если этот процесс неизбежен, то необходимо подобрать соответствующие меры (промежуточный теплообменник или бак).

Максимальный радиус действия пара в метрах рассчитывается по формуле:

Rmax = Dmax*A/Q, где

  • Rmax – максимальный радиус действия пара в м;
  • Dmax – максимальная мощность парообразования в Вт/м;
  • А – апертурная площадь коллекторов  м²;
  • Q – тепловые потери трубопровода в Вт/м.

Для примера рассчитаем, радиус действия пара для установки с вакуумными коллекторами  с общей площадью апертуры равной 4 м².

Rmax = 200 * 4/25 = 32 м

Таким образом, если длинна трубы (в одну сторону) до насосного модуля будет меньше, необходима установка предварительного бака. Для системы с плоскими солнечными коллекторами аналогичной площади апертуры максимальный радиус парообразования составляет примерно 10 м, что в три раза меньше чем для вакуумных коллекторов.

 

 предварительный бак

Принцип действия предварительного бака

Объем предварительного бака рекомендуется подбирать не меньше половины объема теплоносителя в трубопроводах и солнечных коллекторах.