Kolektory próżniowe heat pipe wprowadzają konieczność badania ich wytrzymałości na zamarzanie w odmienny sposób, w porównaniu do standardów stosowanych dla kolektorów o bezpośrednim przepływie glikolu.

1. www.solarblog.pl
Nowe wymagania wytrzymałościowe dla kolektorów
próżniowych typu heat pipe - plany zmiany testów
 Specyfika konstrukcji kolektorów próżniowych typu heat pipe,
a kwestia wytrzymałości na niskie temperatury zewnętrzne
 Praktyczne sytuacje, obecne standardy testowania wytrzymałości
kolektorów słonecznych i proponowane zmiany metod testowania

2. Slajd
2
Kolektory próżniowe na rynku europejskim
 Kolektory próżniowe na rynkach krajów
rozwiniętych w zakresie energetyki
słonecznej, nie zajmują znaczącego udziału
w sprzedaży.
 Na przykład w Austrii jest to udział jedynie
3,8%, w Niemczech 9,3%: , we Francji 3,5%,
w Szwajcarii 7%
 W Polsce udział kolektorów próżniowych
przekracza 26%, co stanowi ewenement.
Jednak znaczna część tych kolektorów
odbiega wyraźnie od standardów jakie
powinny spełniać takie urządzenia
 Dane z raportu ESTIF 2011 (estif.org)

3. Slajd
3
Kolektory próżniowe na rynku europejskim
Kolektor słoneczny Płaskie, m2 Próżniowe, m2 Udział próżniowych, %
Niemcy 1.152.800 118.000 9,3%
Hiszpania 249.728 17.251 6,5%
Włochy 373.500 41.500 10,0%
Austria 221.495 8.694 3,8%
Francja 242.200 8.800 3,5%
Dania 61.897 504 0,8%
Szwecja 15.654 5.153 24,8%
Wielka Brytania 72.953 18.826 20,5%
Kraje EU 27 3.659.489 361.541 9,9%
Polska 187.000 66.500 26,2%
Jedynie 20% z tej
grupy stanowią
wysokosprawne
kolektory próżniowe
!
Źródło: raporty ESTIF (estif.org) Europejskie Stowarzyszenie Producentów Energetyki Słonecznej
Sprzedaż kolektorów słonecznych 2011 na wybranych rynkach krajów EU:

4. Slajd
4
Dynamika sprzedaży kolektorów próżniowych
Sprzedaż kolektorów próżniowych na wielu rynkach, jak np. w Niemczech i na
rynku skandynawskim systematycznie spada. Także udział tych kolektorów na
rynkach obniża się!
Sprzedażkolektorów
próżniowych[m2/rok]
Źródło: raporty ESTIF (estif.org) Europejskie Stowarzyszenie Producentów Energetyki Słonecznej
[%] 2009  2011
Udział rynkowy kolektorów
próżniowych w całkowitej
powierzchni instalowanej
(płaskie + próżniowe):
Niemcy: 11,5%  9,3%
Szwecja: 38,4%  24,8%
Dania: 4,6%  0,8%
Polska: 26,1%  26,2%

5. Slajd
5
Warunki pracy kolektora słonecznego w zimie
Kolektory słoneczne poddawane są zróżnicowanym warunkom pracy, muszą
zachować trwałość zarówno przy wysokich temperaturach eksploatacji,
dochodzących w przypadku kolektorów próżniowych nawet do 300oC
(w stanie stagnacji), jak i przy niskich temperaturach w sezonie zimowym.
Jak wskazuje praktyka, zagrożeniem dla kolektorów próżniowych mogą być
długotrwale występujące niskie temperatury zewnętrzne, poniżej -10 ÷ -15oC.
Fot. [2]Fot. [2] Fot. [2]

6. Slajd
6
Uszkodzenia w wyniku niskich temperatur
Pod wpływem długotrwale utrzymujących się niskich temperatur zewnętrznych,
w różnych krajach zarejestrowano uszkodzenia rur próżniowych typu heat pipe.
Problem został nagłośniony szerzej po zimie 2009/2010, gdzie na południu
Niemiec, w Bawarii, zanotowano znacznie zwiększoną ilość zgłoszeń uszkodzeń
kolektorów typu heat pipe [3][7].
Podobne sytuacje opisano m.in. w Szwecji, USA,
Belgii. Na przykład w stanie Wisconsin, po tygodniu
występowania temperatur rzędu -20oC zimą
2010/2011, użytkownik stwierdził pęknięcie
23 z 60 rurek cieplnych w kolektorach, które były
zainstalowane w 2006 roku [4].
W Szwecji po 7-miu latach eksploatacji, użytkownik
stwierdził z kolei uszkodzenie 3 rurek cieplnych [5],
a w Belgii połowy z posiadanych rur [6].
W Polsce użytkownik stwierdził rozerwanie 7-miu
rurek heat pipe spośród 44 zainstalowanych [8].
Fot. [3]

7. Slajd
7
Przykład uszkodzeń rurek cieplnych heat pipe
W stanie Missouri, z 80-ciu rurek cieplnych w kolektorach próżniowych,
użytkownik stwierdził uszkodzenie 40% spośród nich. Znaczna część innych
rur była już zdeformowana w dolnej części, wskutek rozszerzania zamarzniętego
nośnika ciepła [4].
Fot. [4] Fot. [3]

8. Slajd
8
Uszkodzenia w wyniku niskich temperatur
http://www.haustechnikdialog.de/forum/t/117794/Heat-Pipe-geplatzt-Frostschaden
http://www.energieportal24.de/forum/topic,8006,-frostschaden-am-sonnenkollektor-cpc-21.html
http://www.solarpaneltalk.com/showthread.php?4096-Bad-experience-with-evacuated-tubes/page3
http://www.landtreff.de/vakuum-rohrenkollektor-t54234.html
http://www.gutefrage.net/frage/erfahrung-mit-soladrom-free-xt300
http://forum.muratordom.pl/showthread.php?166997-Wydajno%C5%9B%C4%87-solar%C3%B3w&s=773377af0915a5c6d3c6bcdc377ebe7
LINKI:
Kwestia uszkodzeń kolektorów typu heat pipe była opisywana przez
użytkowników z kilku krajów, np. Niemiec, Belgii, USA, Szwecji, Polski
- na forach internetowych. Problematyka ma więc charakter globalny…

9. Slajd
9
Kolektory z przepływem bezpośrednim i pośrednim
Kolektory próżniowe rurowe można podzielić na 2 zasadnicze grupy urządzeń:
z przepływem bezpośrednim oraz pośrednim – działającym na zasadzie
odseparowania obiegu glikolu i nośnika ciepła w rurkach cieplnych (heat pipe).

10. Slajd
10
Objawy uszkodzenia rurek cieplnych heat pipe
Ewentualne uszkodzenia rurek cieplnych, mogą pozostawać długo niezauważone,
ograniczając się do wycieku niewielkiej ilości nośnika ciepła zawartego wewnątrz,
na co zwrócono uwagę także w opracowaniu [1].
Obieg nośnika ciepła w rurce cieplnej jest oddzielony od obiegu glikolu w instalacji
solarnej. Po stronie instalacji nie odnotowuje się widocznych objawów uszkodzeń
rurek cieplnych. Jedynym objawem będzie zmniejszenie uzysków ciepła, które
może być zauważone, gdy uszkodzeniom ulegnie większa ilość rurek cieplnych.

11. Slajd
11
Przegląd instalacji solarnej…
Standardowo przeglądy instalacji solarnej nie zakładają przeglądów samych
kolektorów słonecznych, dla których przewidywany okres eksploatacji powinien
przekraczać minimum 20 lat. Ewentualna kontrola stanu rur próżniowych typu
heat pipe wymagała by więc szerszego zakresu przeglądu i … wyższych kosztów
Dokładna ocena stanu technicznego rurek cieplnych będzie czasochłonna, gdyż
nie są one często widoczne „gołym okiem” – są np. umieszczane wewnątrz
układu blach aluminiowych przekazujących ciepło z absorbera nanoszonego na
rurze szklanej, do rurki cieplnej. Ocena stanu technicznego rurek cieplnych wiąże
się wówczas z koniecznością demontażu każdej z osobna rury próżniowej…
alibaba.comhttp://philmckenna.blogspot.com esi.info

12. Slajd
12
Testy badawcze prowadzone przez TÜV Rheinland
Testy badawcze prowadzone
przez TÜV Rheinland

13. Slajd
13
Testy badawcze prowadzone przez TÜV Rheinland
TÜV Rheinland jako organ certyfikujący i badawczy dla rozwiązań w przemyśle,
także w branży energetyki słonecznej, zapoczątkował w 2010 r. badania
odporności kolektorów próżniowych typu heat pipe, na niskie temperatury.
Badania miały na celu zdiagnozowanie źródła problemu oraz określenie nowych
skorygowanych wymagań testowych dla tego rodzaju kolektorów słonecznych.
Podkreślono, że dotychczasowe standardy badań zgodne z normą EN 12975-2
„Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy -- Kolektory słoneczne -- Część 2:
Metody badań”, są dla kolektorów próżniowych typu heat pipe niewystarczające
dla właściwej oceny ich odporności na niskie temperatury zewnętrzne.
Obecny stan normy zakłada bowiem jedynie badanie wytrzymałości na
zamarzanie kolektorów słonecznych po stronie obiegu czynnika grzewczego
(glikolu). W badaniach kolektorów typu heat pipe, nie uwzględnia się tym samym
odporności na zamarzanie samych rurek cieplnych, które ulegają uszkodzeniom
opisywanym przez użytkowników w kilku krajach.

14. Slajd
14
Testy badawcze prowadzone przez TÜV Rheinland
W pierwszym etapie badań TÜV Rheinland, poddano działaniu niskich temperatur
30 rurek cieplnych (wyjętych z rur próżniowych) od 6-ciu różnych producentów.
Warunki badania w komorze chłodniczej były zgodne z obowiązującą normą
EN 12975-2, to znaczy: 3 cykle schładzania rurek poniżej -10oC i następnie
ich rozmrażania. Jednak czas trwania cyklu 60 min. jest zbyt krótki dla
zagwarantowania pełnego zamarznięcia nośnika ciepła w rurce cieplnej.
Po 3-ech cyklach, rurki cieplne 5-ciu spośród 6-ciu producentów,
uległy deformacji wskutek zamarznięcia wewnątrz nośnika ciepła.
Wszystkie z rurek cieplnych 5-ciu
producentów, które uległy deformacji
w 3-ech cyklach testu, uległy później
pęknięciu w teście 50-ciu cykli.

15. Slajd
15
Testy badawcze prowadzone przez TÜV Rheinland
W drugim etapie badań TÜV Rheinland, rurki cieplne poddano testom zgodnie
z wytycznymi IEC 61215 (IEC – Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna),
według których poddaje się testom np. ogniwa fotowoltaiczne.
Badanie według IEC 61215 przewiduje, że rurka cieplna przechodzi:
50 cykli zamrożenia i rozmrożenia. Ponieważ czas trwania jednego cyklu
jest wydłużony do 10 godzin, to gwarantuje to zamrożenie nośnika ciepła
w rurce cieplnej. Taka metoda badania, w większym stopniu odpowiada
rzeczywistym sytuacjom, gdy niska temperatura zewnętrzna utrzymuje się
przez dłuższy okres czasu.
Po 50-ciu cyklach, przynajmniej jedna rurka cieplna na dwie,
dla 5-ciu producentów (których rurki zostały zdeformowane
w pierwszym badaniu), uległo pęknięciu.

16. Slajd
16
Testy badawcze prowadzone przez TÜV Rheinland
Deformacja rurek cieplnych po 3-ech cyklach zamrożenia i rozmrożenia zgodnie
z obecnym standardem badań wg. EN 12975-2 oraz po 50 cyklach według
wytycznych IEC 61215. Zmierzono rozszerzenie rurki cieplnej w mm [3]:

17. Slajd
17
W badaniach TÜV Rheinland wykazano także, że zastosowanie 3-ech
wydłużonych cykli zamrażania i odmrażania zgodnych z obecną normą
EN 12975-2, nie jest w stanie określić odporności rurek cieplnych na zamarzanie.
Stwierdzono także, że nie jest konieczne badanie kompletnie zmontowanego
kolektora próżniowego i jednoznaczne wyniki uzyskać można przy poddaniu
badaniom pojedynczych kompletnych rur próżniowych typu heat pipe.
Testy badawcze prowadzone przez TÜV Rheinland
10-godzinne cykle testu
zapewniają zamrożenie
nośnika ciepła w rurkach
cieplnych [3].
 temperatura w dolnej
części rurki cieplnej

18. Slajd
18
Mechanizm zamarzania nośnika ciepła
Dlaczego rurki cieplne w kolektorach próżniowych typu heat pipe pękają?
 zamrażanie nośnika ciepła następuje od lustra (od góry ku dołowi rurki)
 siła tarcia powoduje powstanie „korka lodowego”, który nie może być
wypchnięty w górę rurki, blokując swobodę rozszerzania się nośnika ciepła
 rozszerzalność lodu deformuje rurkę cieplną
 zwiększona deformacja rurki cieplnej może doprowadzić do jej pęknięcia
-10 ÷ -20 oC

19. Slajd
19
Nośniki ciepła w rurkach heat pipe
W większości rurek cieplnych, zastosowanie znajduje czysta woda, która pod
względem termodynamicznym cechuje się bardzo korzystnymi własnościami,
jest nieszkodliwa dla środowiska, tania, jednorodna i stabilna chemicznie
Zastosowanie wody w rurkach cieplnych zaczęło być popularne z końcem
lat 90-tych ub. stulecia i wyeliminowało problemy występujące z innego typu
nośnikami ciepła [9]. Obecnie stosuje się także amoniak, aceton, metanol, etanol.
Ciecze te posiadają zaletę w postaci niższej temperatury krzepnięcia, jednak
pod względem wielu cech fizyko-chemicznych, są mniej korzystne od wody.
Woda posiada takie pożądane cechy, jak: znacznie wyższe napięcie
powierzchniowe od wymienionych czynników, wyższe ciepło parowania
(zdolność przenoszenia ciepła), wyższą przewodność cieplną i niższą lepkość
par i wody od większości wymienionych nośników. Woda jako jednorodny nośnik
ciepła zachowuje stabilność i niezmienność właściwości w całym okresie
eksploatacji. Wobec powszechności zastosowania wody jako nośnika ciepła
w rurkach heat pipe, problem ich uszkodzeń w niskich temperaturach może
dotyczyć wielu rodzajów kolektorów próżniowych. A z drugiej strony
poszukiwanie innego rodzaju nośników ciepła, nie jest kwestią prostą.

20. Slajd
20
Podsumowanie i wnioski
Kolektory próżniowe typu heat pipe wprowadzają konieczność dostosowania
obowiązujących metod badań, do specyfiki ich budowy.
Problem uszkodzeń rurek cieplnych jest znany w wielu krajach, gdzie występują
długotrwale niskie temperatury zewnętrzne.
Problem wrażliwości konstrukcji na niskie temperatury, nie dotyczy kolektorów
z bezpośrednim przepływem czynnika grzewczego przez absorbery, a więc
płaskich oraz próżniowych, jak np. Hewalex KSR10. W ich przypadku, badanie
jakiemu poddaje się kolektor wg standardów normy EN 12975-2, dotyczy
jednocześnie obiegu glikolu. Nie występują tutaj żadne inne nośniki ciepła,
dla których trwałości, zagrożeniem mogą być długotrwałe niekorzystne warunki
zewnętrzne.
Kolektory z bezpośrednim przepływem mogą ulegać zamarzaniu jedynie,
przy niewystarczającej odporności na zamarzanie glikolu, co oznaczać może
zastosowanie niewłaściwego czynnika grzewczego lub utratę właściwości,
wskutek np. niewłaściwej eksploatacji (przegrzewy instalacji solarnej powodujące
degradację czynnik grzewczego – glikolu).

21. Slajd
21
Modyfikacja badań kolektorów typu heat pipe
Parametr
Wymagania testu wytrzymałości na niskie temperatury
Zakres obecnych badań
wg normy EN 12975
Proponowane zmiany
wg TÜV Rheinland
Kąt nachylenia bardziej płaski niż określony
przez producenta lub 30o
bardziej stromy niż określony
przez producenta lub 90o
Kontrola temperatury woda w obiegu kolektora nośnik ciepła w rurce heat pipe
Warunki testu:
zamarzanie
> 30 min. zawartość absorbera
schłodzona do (-20 2) oC
> 30 min. zawartość rurki heat pipe
schłodzona poniżej -20oC
Warunki testu:
rozmrażanie
> 30 min. zawartość absorbera
rozmrożona powyżej 10oC
> 30 min. zawartość rurki heat pipe
rozmrożona powyżej 10oC
Liczba cykli w teście 3 20 (z kontrolą stanu po 3 cyklach)
Czas trwania cyklu < 5 h około 12 h
Łączny czas testów < 24 h 10 dni
Egzemplarz do testów kompletny kolektor również pojedyncze rury heat pipe
Liczba egzemplarzy
do testów
1 minimum 9 rurek heat pipe (w tym min.
4 nie testowane wcześniej cieplnie)
TÜV Rheinland na podstawie przeprowadzonych badań, opracował propozycję
modyfikacji badań normowych dla kolektorów próżniowych typu heat pipe, co ma
być uwzględnione (wg TÜV Rheinland) w kolejnej edycji normy EN 12975-2 [3]:

22. Slajd
22
Spis literatury
[1] „Wpływ zewnętrznych warunków klimatycznych na efektywność pracy
próżniowego kolektora słonecznego”. Huber Latała. Inżynieria Rolnicza
nr 1(119)/2010
[2] „Kolektor próżniowy droższy niż płaski, a w sumie ciepła daje… mniej?”
Ireneusz Jeleń, InstalReporter (04)2012
[3] Quality Assurance in solar thermal heating and cooling technology”
TÜV Rheinland Energie und Umwelt GmbH 05.2012
[4] Forum solarpaneltalk.com
[5] Forum navitron.org.uk
[6] Forum energieportal24.de
[7] Forum gutefrage.net
[8] Forum muratordom.pl
[9] „Die Vakuumröhre wird attraktiver” Karl-Heinz Remmers, SBZ 13/2000

23. Hewalex
Ponad 20-letnie doświadczenie na rynku polskim i zagranicznym
www.solarblog.plwięcej prezentacji >>> www.hewalex.pl

24. Kompletne rozwiązania oparte o kolektory słoneczne i pompy ciepła
Zastosowanie w obiektach mieszkalnych i użytkowych
Hewalex
Ponad 20-letnie doświadczenie na rynku polskim i zagranicznym
www.solarblog.plwięcej prezentacji >>> www.hewalex.pl