ANTIFRIZI ZA SOLARNE SISTEME

Zahvaljujući energiji Sunca, život na našoj planeti je nastao pre oko 3,6 milijardi godina. Sunčeva energija ima direktnog i indirektnog uticaja na ostale izvore energije. Ova energija je energija elektromagnetnog zračenja Sunca, koja dospeva na Zemljinu površinu. Ukupan spektar sunčevog elektromagnetnog zračenja pokriva širok opseg talasnih dužina: od 0,1 nm do talasnih dužina reda 1 km. Najviše energije imaju talasne dužine od 360 do 700 nm, koje čulom vida možemo prepoznati kao svetlost. Ujedno, to je i glavni nosilac energije do Zemlje i pokretač klimatskog sistema u sloju atmosfere od tla do visine od desetak kilometara. Na površini Zemlje ovo zračenje se transformiše u dugotalasno (infracrveno) zračenje,koje zagreva Zemljinu površinu snagom od 1 kW/m2. Indirektni uticaj Sunčeve energije se manifestuje u vidu akumulacije fosilnog goriva i zemnog gasa, energije vodenih tokova, vetra i biomase.

Kako iskoristiti direktnu sunčevu energiju?
Direktna Sunčeva energija može se iskoristiti na dva načina:

1. putem fotonaponskih panela za dobijanje električne energije i
2. putem solarnih kolektora za dobijanje toplote, zagrevanjem prenosnog fluida (vazduh, voda, i dr.).

Fotonaponski paneli
Razvijeni su uporedo sa osvajanjem kosmosa 50-tih i 60-tih godina prošlog veka, kao izvor električne energije kosmičkih letelica vojnih satelita. Šira upotreba u civilnom sektoru (energetici, industriji, saobraćaju, poljoprivredi, domaćinstvu) sledi 80-tih godina prošlog veka.

Solarni kolektori
Sunčeva energija je besplatna, ekološki čista i postojaće dokle god postoji i Sunce. Na teritoriji Republike Srbije broj časova sunčevog zračenja iznosi između 1.500 i 2.200 časova godišnje. Na godišnjem nivou, prosečna vrednost energije zračenja iznosi od 1.200 kWh/m² u severozapadnoj Srbiji, do 1.550 kWh/m² u jugoistočnoj Srbiji, dok u centralnom delu iznosi oko 1.400 kWh/m².

Za proizvodnju toplotne energije iz sunčevog zračenja obično se koriste solarni kolektori za pripremu tehničke tople vode. Može se vršiti i zagrevanje stambenog, radnog ili industrijskog prostora, ili se preuzeta toplotna energija koristiti u nekim industrijskim procesima. 

Ključni problem kod upotrebe solarne energije za grejanje objekata je što je zimi najmanje ima, kada je najpotrebnija i obrnuto, a najviše je ima leti kada su potrebe za toplotnom energijom najmanje. Savremeni sistemi za akumulaciju toplotne energije mogu uspešno da premoste ovaj izazov. Takođe, već duže vreme je poznata i tehnologija tri generacije, ali zbog svoje složenosti i niske efikasnosti u najvećem broju slučajeva nije konkurentna.

Izbor prenosnog fluida 
Izbor prenosnog fluida zavisi od sledećih kriterijuma:

1. Koeficijent ekspanzije – delimična promena dužine materijala za jediničnu promenu temperature (ili zapremine, kada je navedeno);
2. Viskozitet – otpornost tečnosti na čiste sile, a samim tim i na protok;
3. Toplotni kapacitet – sposobnost materije da skladišti toplotu;
4. Tačka mržnjenja – temperatura ispod koje se tečnost pretvara u čvrstu supstancu;
5. Tačka ključanja – temperatura na kojoj tečnost ključa;
6. Tačka paljenja – najniža temperatura na kojoj se para iznad tečnosti može zapaliti u vazduhu.

 Na primer, u hladnoj klimi, solarni sistemi za grejanje vode zahtevaju tečnosti sa niskim tačkama mržnjenja. Tečnosti izložene visokim temperaturama, u pustinjskoj klimi, treba da imaju visoku tačku ključanja. Viskozitet i toplotni kapacitet određuju količinu potrebne energije pumpanja. Tečnost niskog viskoziteta i visoke specifične toplote lakše se pumpa, jer je manje otporna na protok i prenosi više toplote. Ostala svojstva koja pomažu u određivanju efikasnosti tečnosti su njena korozivnost i stabilnost

Fluidi koji se mogu primeniti u solarnim razmenjivačima toplote
Vazduh se neće smrzavati ili ključati i nije korozivan. Međutim, ima veoma mali toplotni kapacitet i ima tendenciju da curi iz kolektora, kanala i ventila.

Voda je netoksična i jeftina. Sa visokom specifičnom toplotom i veoma niskim viskozitetom, lako se pumpa. Nažalost, voda ima relativno nisku tačku ključanja i visoku tačku mržnjenja. Takođe,voda može izazvati koroziju, ako se pH vrednost spusti ispod 7. Voda sa visokim sadržajem minerala (tzv. "tvrda" voda) može izazvati stvaranje mineralnih naslaga u kolektorskim cevima i vodovodnim sistemima.

Etilen i propilen glikol su antifrizi. Primenjuju se u obliku mešavine sa vodom, te pružaju efikasnu zaštitu od mržnjenja sve dok se održava odgovarajuća koncentracija antifriza. Tečnosti protiv mržnjenja vremenom se razgrađuju i obično ih treba menjati na svakih 5 godina. Ove vrste sistema su pod pritiskom i treba da ih servisira samo kvalifikovani stručnjak za solarno grejanje.                

Mineralna i sintetička ulja
- ugljovodonična ulja imaju veći viskozitet i nižu specifičnu toplotu od vode. Za pumpanje im je potrebno više energije. Ova ulja su relativno jeftina i imaju nisku tačku mržnjenja. Osnovne kategorije ugljovodoničnih ulja su sintetički ugljovodonici, parafinski ugljovodonici i aromatična rafinisana mineralna ulja. Sintetički ugljovodonici su relativno netoksični i zahtevaju malo održavanja. Parafinski ugljovodonici imaju širi temperaturni opseg između tačke mržnjenja i ključanja od vode, ali su toksični i zahtevaju izmenjivač toplote sa dvostrukim zidovima zatvorene petlje. 

Rashladni fluidi 
- freoni, koji se koriste za promenu faze u rashladnim kompresorima. Obično se koriste kao fluidi za prenos toplote u frižiderima, klima uređajima i toplotnim pumpama. Uglavnom imaju nisku tačku ključanja i visok toplotni kapacitet. Ovo omogućava maloj količini rashladnog sredstva da veoma efikasno prenese veliku količinu toplote. Rashladni fluidi brzo reaguju na sunčevu toplotu, čineći ih efikasnijim u oblačnim danima od drugih tečnosti za prenos. Apsorpcija toplote se dešava kada rashladno sredstvo proključa (promeni fazu iz tečnosti u gas) u solarnom kolektoru. Oslobađanje prikupljene toplote se dešava kada se rashladno sredstvo, koje je sada u gasovitom stanju, ponovo kondenzuje u tečnost u izmenjivaču toplote ili kondenzatoru.

Silikonska ulja
 - ulja koja imaju veoma nisku tačku mržnjenja i veoma visoku tačku ključanja. Oni nisu korozivni i dugotrajni. Pošto silikoni imaju visok viskozitet i mali toplotni kapacitet, za pumpanje im je potrebno više energije. Silikoni takođe lako propuštaju, čak i kroz mikroskopske rupe u solarnoj petlji.

Prednosti korišćenja propilen glikola kao toplotnog fluida
Propilen glikol (PG) je postao najčešći fluid za prenos toplote koji se koristi u zatvorenim sistemima solarnog grejanja.Glavne osobine PG kao fluida u solarnim sistemima:

1. Netoksičan;
2. Rastvara se u vodi i nije škodljiv za životnu sredinu;
3. Sadrži inhibitore korozije, koji štite sve metalne delove koji se obično koriste u sistemima za grejanje, solarno grejanje i u kriogenskim postrojenjima, od korozije i stvaranja naslaga kamenca;
4. Pospešuje efikasan prenos toplotne energije, sprečavajući stvaranje naslaga na izmenjivačima toplote.

Rashladni fluid na bazi propilen glikola sadržioko 90% čistog propilen glikola i oko 10% aditiva, koji sprečavaju koroziju i povećavaju otpornost na degradaciju pri visokim temperaturama. Koncentrovana tečnost se pre upotrebe meša sa demineralizovanom vodom u zavisnosti od potrebne temperature mržnjenja, odnosno, ključanja. Temperaturni opseg primene rashladnog fluida na bazi propilen glikola je od max. 170 oC do min. -50 oC. 

Zbog svoje netoksičnosti, kao i zbog optimalnog odnosa cene i kvaliteta, idealan je za korišćenje u solarnim sistemima u stambenim objektima (individualnim ili zajedničkim), u prehrambenoj, farmaceutskoj i kozmetičkoj industriji.

Iz svega navedenog može se zaključiti sledeće:

• Sunce predstavlja krajnje ekološki čist, besplatan i vremenski beskonačan izvor energije, koji je idealan za proizvodnju toplotne i električne energije;
• Rashladni fluidi na bazi propilen glikola, u pogledu svoje netoksičnosti, zaštite sistema od korozije i pojave kalcifikovanih naslaga, kao i u pogledu  ekonomičnosti predstavljaju pravo rešenje za primenu u solarnim toplotnim postrojenjima, kako u domaćinstvu, tako i u industriji;
• Očekuje se sve veća primena sunčeve energije za proizvodnju toplote i električne energije, ali isto tako, očekuje se i veći podsticaj države pri izgradnji ovih postrojenja.

Autor:
Ms. ing. Aleksandar Kekić, 
Inženjer razvoja, primene i tehničke podrške, ADECO