Солнечные коллекторы обеспечивают бесперебойное генерирование тепловой энергии при стабильном поступлении на их поверхность солнечных лучей. Впрочем, постоянное обеспечение теплом, помимо преимуществ для потребителя, имеет негативные последствия для компонентов самой системы. Когда забор тепла в коллекторе нецелесообразен или невозможен, в гелиосистеме начинается процесс застоя, или стагнации. Такой застой неблагоприятно влияет на состояние системы, но не является аварийным. Избежать проявления стагнации практически невозможно, однако предотвратить негативный результат процесса можно, если придерживаться ряда рекомендаций специалистов.

Стагнация гелиосистемы, как правило, происходит в жаркое время года в комбинированных солнечных установках с отбором энергии для отопления. Впрочем, такому явлению могут быть подвержены гелиосистемы и других типов в условиях отключения электроэнергии, отсутствия потребления тепла, горячей воды, то есть отключения циркуляции.

Данный процесс возникает в результате чрезмерного поступления, переизбытка тепловой энергии. Температура теплоносителя в солнечных коллекторах возрастает до максимального значения, превышая температуру кипения, что вызывает закипание жидкости в коллекторе и, как следствие, резкий скачок давления в контуре системы.

Процессы, происходящие в солнечном коллекторе при стагнации гелиосистемы

1. Расширение жидкости

При выключении циркуляционного насоса температура в коллекторе возрастает до уровня температуры кипения теплоносителя. Данный процесс сопровождается незначительным (около 1 бар) повышением уровня давления.

2. Испарение теплоносителя

Вторая фаза сопровождается образованием большого количества насыщенного пара, который вытесняет теплоноситель в большом количестве в расширительный бачок. В результате давление в гелиосистеме начинает повышаться в ускоренном темпе. Жидкость, температура которой близка к температуре кипения, способна дойти до компонентов контура гелиоустановки, подвергая их термальному стрессу.

3. Кипение в коллекторе

Процесс дальнейшего нагревания теплоносителя вызывает его испарение, и образовавшийся пар распространяется по системе. При конденсации теплоносителя возможно нагревание некоторых компонентов гелиосистемы до температуры кипения.

4. Перегрев

Процесс испарения теплоносителя продолжается, и в системе образуется горячий пар. При этом уровень давления незначительно падает, а коллектор становится практически сухим. 

5. Заполнение теплоносителя

При уменьшении количества солнечного излучения, попадающего на поверхность коллектора, снижаются температура в солнечном коллекторе и давление в самой системе. Теплоноситель в парообразном состоянии конденсируется, и солнечные коллекторы вновь заполняются им, но уже в жидкой форме.

Негативное воздействие явления стагнации на компоненты гелиосистемы может быть снижено за счет уменьшения парообразования на третьей стадии стагнации. Достичь этого можно, если на второй фазе теплоноситель полностью вытесняется из коллекторов и практически не доходит до закипания в них.

Данный процесс называется способностью к опорожнению гелиоколлектора. Такая способность у различных коллекторных полей и самих коллекторов отличается и зависит от таких факторов, как:

- объем расширительного бака;

- длина магистрали;

- угол наклона коллектора;

- тип коллектора.

Способность к опорожнению у плоских коллекторов выше, чем у вакуумных солнечных коллекторов. Для того чтобы улучшить способность к опорожнению гелиополя, важно учесть факторы влияния еще на стадии проектирования и установки.

Меры для снижения влияния стагнации гелиосистемы

Бывают случаи, когда максимальной способности к опорожнению солнечных коллекторов добиться невозможно. Для снижения нежелательных последствий во время стагнации гелиосистемы следует предпринять ряд мер, препятствующих возникновению данного процесса, а именно:

1. Правильно рассчитать объем расширительного бака. Это делается для того, чтобы бак смог компенсировать теплоноситель в полном объеме.

2. Использовать контроллеры, в которых предусмотрена функция снижения риска стагнации. Алгоритм работы таких устройств прост: при достижении в коллекторе критической температуры (близкой к возникновению стагнации) контроллер включает циркуляционный насос буквально на несколько секунд. Это вызывает снижение температуры в коллекторе за счет более низкой температуры в накопительном баке. Данный процесс длится, пока температура в баке не достигнет максимально возможного уровня. Применяя такие контроллеры, можно значительно снизить риск стагнации.

3. Применять функцию охлаждения в ночное время, особенно при длительном отсутствии забора тепла. Контроллер, включая ночью циркуляционный насос, вызывает снижение температуры в баке до максимально возможного уровня, а в светлое время суток аккумулятор вновь накапливает тепло.

4. Использовать охлаждаемые теплообменники для сброса переизбытка тепла (в роли таких, например, – бассейны, фанкойлы и т.д.).

5. Сброс избыточной теплоэнергии через пар в процессе стагнации. Использование данного варианта снижает термическую нагрузку на компоненты системы (за исключением теплоносителя) непосредственно во время стагнации гелиосистемы. Низкая способность к опорожнению солнечных коллекторов может послужить причиной тому, что под действием образовавшего пара из строя выйдут некоторые компоненты системы. Особенно негативно влияние может сказаться на циркуляционном насосе и мембране расширительного бака. Для того, чтобы предотвратить воздействие высокой температуры на указанные компоненты, стоит применять промежуточные теплообменники и баки.

6. Применение высокотемпературного теплоносителя. Проблемы стагнации возникают при закипании теплоносителя и переходе его из жидкой фазы в парообразную. Эта проблема может быть решена кардинальным образом использованием теплоносителей с высокой температурой кипения. Например, наше предприятие предлагает своим клиентам теплоноситель с рабочим температурным диапазоном от - 50 до +330 градусов. Использование такого теплоносителя полностью исключает возможность возникновения этого крайне неприятного эффекта.

7. Однако самым прогрессивным, на настоящий момент, методом борьбы с перегревом солнечных системы считается применение солнечных аккумуляторов тепла, располагаемых внутри вакуумной трубки - самой термонапряженной зоны системы. Данные аккумуляторы позволяют не только "впитывать" в себя излишки тепла, обеспечивая тем самым комфортный режим работы гелиосистемы, но и обеспечивают ее возврат потребителю после захода солнца, повышая тем самым эффективность работы системы "в целом".