Stagnace solárních systémů a technologie ThermProtect

Slovo stagnace z pohledu solárních systémů znamená, že systém není schopen předávat teplo, a tak dochází k postupnému zvyšování teploty kapaliny cirkulující v solárním systému. To vede k následné degradaci, resp. poškozování či dokonce k poruše některých částí systému.

Typ solárního systému

Velký vliv na stagnaci má typ solárního systému. Může se jednat o tzv. teplovodní nebo horkovodní systém, kde voda během normálního provozu nemění své skupenství a pouze se zahřívá. Rozdíl mezi teplovodním a horkovodním systémem je pouze v teplotách provozní kapaliny. Druhým typem je tzv. dvoufázový „kombi“ systém, v němž kapalina mění skupenství. Tento systém je náchylnější k poškození během normálního provozu či během procesu stagnace.

Hlavní důvody stagnace 

Mezi hlavní důvody stagnace solárních systémů patří příliš velká plocha solárních kolektorů a malá potřeba tepla během dne. Je pochopitelné, že ke stagnaci solárních systémů dochází během letních měsíců, kdy je spotřeba tepla během roku nejnižší. Ke stagnaci dojde při zahřátí zásobníku tepla na maximální teplotu cca 95 °C. V takovém případě se vypíná čerpadlo, které zajišťuje chlazení solárního kolektoru. Následně teplota absorbéru, který je součástí kolektoru, začíná rychle stoupat, až se dostane na úroveň tzv. stagnační teploty, která se u trubicových kolektorů pohybuje od 180 do 210 °C a od 220 do 300 °C u vakuových kolektorů. Dosažením těchto teplot v systému dochází k častým změnám skupenství, čímž dochází k poškozování systému. Řešením je návrh vhodné expanzní nádoby, která je schopna pojmout nárůst tlaku v systému. Postupným zahříváním kapaliny v uzavřeném prostoru se zvětšuje totiž její objem a následně roste i tlak v systému. Tento proces by měl předcházet aktivaci pojistného ventilu, který slouží jako poslední řešení na záchranu celého systému.

Proces stagnace jsme schopni rozdělit do pěti fází:

1. Fáze – Expanze kapaliny

Teplota kolektoru roste až na teplotu vypařování. Celý proces se odehrává v blízkosti kolektoru, kde je teplota kapaliny nejvyšší. U této fázi je nárůst tlaku v systému poměrně dost malý.

2. Fáze – Vytlačování kapaliny z kolektoru

Větší část kapaliny je vytlačena z kolektoru do expanzní nádoby vlivem většího tlaku vypařené vody, tj. páry. Výsledkem je rapidní nárůst tlaku v systému a teploty v potrubí kolektoru a postupné plnění potrubí párou. Kapalina, jejíž teplota se blíží k teplotě varu, tepelně namáhá části systému. Tato fáze trvá pár minut a končí, když se na vstupu a výstupu z kolektoru nachází jen pára, přičemž se v kolektoru mohou nalézat zbytky kapaliny.

3. Fáze – Vyprázdnění kolektoru vypařováním

Zbylá kapalina, která se nachází v kolektoru se vypaří a začne se dostávat do ostatních částí systému. Následně ohřívá další části systému, a tím je poškozuje. Konečně, na konci třetí fáze se hodnoty objemu a tlaku v systému dostávají na maximální hodnoty.

4. Fáze – Vyprázdnění kolektoru přehřátou párou

Pára v kolektoru se postupem času více prohřívá a chlazení kolektoru je čím dál tím těžší. Tato fáze trvá nejdéle a během této fáze pára poměrně často mění skupenství z plynného na kapalné a zase naopak.

5. Fáze – Znovu zaplavení kolektoru

Tato fáze začíná poklesem teploty pod teplotu varu a jejím následným klesáním, čímž se z páry stává kapalina a kolektor je opět tzv. zaplavený. Toto je způsobeno poklesem slunečního záření.

Řízení stagnace

Naštěstí proces stagnace lze jednoduše regulovat a do určité velikosti přímo eliminovat. Smyslem řízení stagnace je ochrana důležitých částí systému před tepelným poškozováním. Celý princip spočívá v tom, že přebytek tepla buď někde uložíme „na horší časy“, nebo stagnaci jednoduše zmaříme. Výhodou řízení stagnace je schopnost pracovat i bez elektrické energie, tj. systém pracuje s tzv. přirozenou cirkulací.

Pasivní mařič tepla

Pro malé domácí teplovodní/horkovodní systémy je pro řízení stagnace dostačující velikost expanzní nádoby. Ale u středně velkých systémů se již doporučuje zapojit do systému tzv. pasivní mařič tepla. Takový mařič je po konstrukční stránce zcela jednoduchý. Jde jen o to, aby měl co nejmenší objem, a aby jeho plocha byla co největší, tím se bude tekutina v systému během přebytku tepla ochlazovat mnohem rychleji. Jakmile dojde ke zvýšení potřeby tepla v domácnosti, dojde k poklesu tlaku v systému, ventil se uzavře, mařič je tekutinou v systému obcházen a teplo jde ke spotřebiteli. Výkon takového mařiče tepla závisí samozřejmě na meteorologických podmínkách.