Revoluční technologie solárních kolektorů z pozitronových laboratoří

Solární technologie představují dnes významný alternativní zdroj tepelné i elektrické energie, nahrazující vyčerpatelné fosilní zdroje paliv. Jejich používání a nasazování, v domácnostech i průmyslovém použití, vytváří silný tlak na jejich další zdokonalování i zvyšování jejich účinnosti. Společnost PositronLabs vyvinula v letošním roce zcela novou technologii tepelných kolektorů, pod ochranným označením NSITM, která eliminuje naprostou většinu technologických obtíží při jejich projektování, výrazně snižuje cenu samotných kolektorů, řeší dokonale jejich regulaci a zároveň posunuje jejich celkovou účinnost už k hranici přibližně 93%.

Systém kolektorů NSITM, patentově chráněná technologie společnosti PositronLabs s.r.o., využívá pro svou práci zcela jiného principu, než dosavadní technologie. NSITM využívá tzv. přímého fluidního absorbéru, který tvoří kapalina případně plyn s obsahem částic nebo barviva pohlcujících záření. Tento fluidní absorbér tvoří pracovní a chladící médium v jednom, které je sluneční energií v kolektoru přímo ohříváno, a okamžitě odváděno mimo samotný kolektor pro použití - do zásobníku tepla nebo do tepelného výměníku. Pokud se podíváme na kolektor, který není umístněn v tepelné izolaci, je zcela transparentní a neabsorbuje téměř žádné sluneční záření. Jaké jsou tedy vlastnosti této unikátní, patentované technologie? Jednoduše zcela převratné.
V případě použití fluidního absorbéru například typu FluidN641 (PositronLabs), složeným ze směsi kapaliny (propylenglykol + voda) a částic (uhlíkové nanočástice velikostně srovnatelné s vlnovými délkami dopadajícího záření), je kapalina samotná obvykle pro záření téměř průzračná a téměř nepohlcuje sluneční záření. Naopak nanočástice rozptýlené v kapalině záření pohlcují a přeměňují na tepelnou energii. Díky jejich kompletnímu ponoření v kapalině, předávají tepelnou energii kapalině téměř se 100% účinností. Principielně vytvářet v kapalině i směs různých druhů částic (uhlík, oxidy kovů, nitridy ...) tak, aby byly pohlcovány všechny potřebné vlnové délky záření. Na rozdíl od kolektorů s absorbérem, ze kterého je tepelná energie odváděna soustavou trubic s chladícím médiem nebo zprostředkovaně pomocí heat-pipe trubic, má NSITM kolektor i velmi malou tepelnou setrvačnost. Nemusí tedy docházet k nahřívání absorbéru a teprve pak k odvodu tepla. Záření je pohlcováno okamžitě a teplo ihned odváděno do zásobníku. Tím pádem je kolektor schopný využít i krátké okamžiky záření, kdy se slunce pohybuje mezi mraky.
Pracovní plocha NSITM kolektoru je vyráběna z materiálu propustného pro sluneční záření (podle potřeby - sklo, transparentní polykarbonát, transparentní polymetalmetakrylát, transparentní polystyren, transparentní polyetylentereftalát ...), který propouští toto záření dovnitř kolektoru, kde proniká do fluidního absorbéru. Fluidní absorbér je tímto zářením ohříván, a po té odváděn mimo kolektor. Do kolektoru je přiváděn chladnější fluidní adsorbér ze zásobníku nebo tepelného výměníku. Nepracovní plochy kolektoru (ty, přes které nemusí procházet, nebo neprochází sluneční záření) jsou podle potřeb teplotně izolovány vhodným izolantem jako je pěnový polystyren, polyuretan, minerální vata a podobně. Kolektor s fluidním absorbérem, může být vyroben pouze z plastových prvků, a to včetně potrubí pro přívod a odvod tepla, tepelných izolací .... Tím odpadají základní problémy s váhou kolektoru, s nutností ochrany před úderem blesku a s nutností správného návrhu s hlediska koroze.
Vzhledem k možnosti řízeného vyprázdnění fluidního absorbéru z kolektoru či dokonce možnosti konstruovat celou soustavu jako samo výpustnou v případě poruchy oběhu absorbéru nebo v případě vysoké teploty absorbéru, lze pohltivost slunečního záření kolektorem už v nejjednodušší variantě provedení regulovat, takže je celý kolektor odolný vůči přehřátí a nevyžaduje ani tlakové jištění, ani opatření vůči vzniku páry a vysokých teplot. Celý kolektorový systém je standardně navržen jako beztlakový. Materiály použité ke konstrukci kolektoru, kromě fluidního absorbéru, jsou buď transparentní nebo nepohlcující či odrážející sluneční záření.
U pokročilého typu fluidního absorbéru a NSITM kolektoru lze regulovat za provozu i jeho pohltivost dalším způsobem, a to změnou množství nebo typu pohlcujících částic nebo barviva v kapalině.

 

Pokud nahradíme klasický kolektor fluidním kolektorem, má fluidní kolektor mnoho revolučních výhod.
1. Lze zvolit směs kapaliny a částic, která bude pohlcovat všechny potřebné vlnové délky a tím, je využito maxima dopadající energie.
2. Jediné ztráty dopadajícího záření tvoří reflexe záření na rozhraní vzduchu a transparentního materiálu, ve kterém je uzavřen fluidní absorbér. Důležitá je samozřejmě i absorpce transparentního materiálu. Oboje tyto ztráty je možné předpokládat při vhodné konstrukci kolektoru cca kolem 10% dopadající energie.
3. Vzhledem ke skutečnosti, že fluidním absorbéru jsou pohlcující částice uvnitř kapaliny plně kapalinou obklopeny, předávají veškerou tepelnou energii kapalině. V podstatě je eliminován obvyklý přechodový odpor mezi absorbérem a chladicím médiem. Tím jsou ale zároveň za vhodných podmínek i z velké části eliminovány ztráty radiací. Jediné možné ztráty jsou dány radiací povrchu fluidního absorbéru. Avšak, právě v době, kdy je nutný maximální výkon, směs je studená, má fluidní absorbér nízkou teplotu a radiace je tedy naprosto minimální.
4. Další zásadní výhodou je možnost jednoduché regulace výkonu fluidního kolektoru. Jeho úplné odstavení je možné pouhým odčerpáním směsi kapalina/částice z tělesa kolektoru, což je velmi jednoduché. Lze provádět i změny v koncentraci částic ve fluidním absorbéru (za provozu) a tím regulovat výkon kolektoru. Taková regulace není u normálního kolektoru možná - odčerpáním chladicí kapaliny by obvykle došlo k přehřátí absorbéru.
5. Další výhodou, protože fluidní kolektor pracuje optimálně jako nízkoteplotní, je možnost výroby tělesa kolektoru z levných, nízkoteplotních, například plastových materiálů. Vzhledem ke skutečnosti, že navíc pracovní směs (voda/částice) může být velmi levná a regulace celého systému je velmi jednoduchá, může byt celý systém oproti dnes užívaným několikanásobně levnější.
6. Díky nízkoteplotní práci kolektoru, lze kolektor velmi kvalitně tepelně izolovat pomocí levných materiálů (pěnový polystyren, polyuretan a podobně) v potřebné tloušťce a tím velmi dobře omezit ztráty ochlazováním tělesa kolektoru okolním vzduchem. Transparentní část kolektoru lze izolovat například pomocí vícevrstvého skla nebo transparentního plastu. Těmito jednoduchými a levnými opatřeními je schopen kolektor používající fluidní absorbér pracovat i v zimních podmínkách, při nízkých venkovních teplotách, kdy je dostatek slunečního záření.
7. Počet, a tím i možný tepelný výkon soustavy kolektorů, například v létě, může být vzhledem k možnosti regulace výrazně vyšší, než je velikost tepelná kapacita zásobníku tepla. Tím pádem v létě (dopadající energie v ČR, Praha kolem 1000W/m2) ohřeje soustava kolektorů zásobník tepla na potřebnou teplotu například během jediné hodiny a po té je soustava kolektorů dočasně odstavena z provozu odčerpáním fluidního absorbéru. V zimním období (dopadající energie v ČR, Praha kolem 300W/m2) ohřeje soustava kolektorů zásobník tepla na potřebnou teplotu například během více jak tří hodin a po té je soustava kolektorů opět dočasně odstavena z provozu odčerpáním fluidního absorbéru. Pokud by nebyla regulace výkonu možná, musel by být systém navržen s ohledem na letní provoz a bez zvláštních opatření by v zimním období nedokázal jednoduše a rychle pokrývat dodávku tepla.
Velmi zajímavá je i celková účinnost kolektoru. U dnes vyráběných kolektorů se často udává například účinnost absorbéru a podobně, tedy nikoliv celková účinnost kolektoru. Faktem ovšem zůstává, že celková obvyklá účinnost kolektoru, při teplotě chladicí kapaliny 40°C, je obvykle kolem 50%. To znamená, že v letním období, kdy je například energie dopadajícího záření kolem 1000W/m2 je výkon 1m2 kolektoru přibližně 500W. V zimním období je pak výkon 1m2 kolektoru jen přibližně 150W.
První typy NSITM kolektorů vykazují celkovou účinnost kolem 93%. Tedy letním období je výkon 1m2 NSITM kolektoru přibližně 930W. V zimním období je pak výkon 1m2 kolektoru téměř 300W. Vzhledem k uvedeným skutečnostem, nízké ceně kolektoru, jednoduché instalaci i regulační elektronice, má NSITM kolektor rychlou návratnost investic, splní vysoké ekologické nároky, je velmi bezpečný, lehký, je jej možné vyrobit v téměř libovolných tvarech bez nároku na složité výrobní technologie, a má speciální vlastnosti (regulovatelnost, možnosti předimenzování výkonu ...) které jsou s dnes používanými kolektory jen obtížně dosažitelné. Návratnost takto vybudovaného systému, a to i v případě projektu s vysokým solárním pokrytím spotřeby energie, se může pohybovat již od tří let provozu.

 

Positron labs s.r.o, 2009
Code: Jiří Honomichl