98 Solární zařízení v příkladech
Obr. 3.8 Princip otevřeného cyklu s tuhým sorbentem párou je odváděn z lože do okolí. V režimu adsorpce se vzduch nejprve zvlhčí (např. v adiabatické pračce), ochlazený vstupuje do lože vysušeného po desorpci, desikant adsorbuje vodní páru ze vzduchu a uvolňuje se sorpční teplo. Vysušený a ohřátý vzduch odchází z lože pro předání tepla v navazující aplikaci. Podobně v otevřeném absorpčním systému dochází k výměně páry mezi přiváděným vzduchem a absorbentem, kterým je kapalný hygroskopický roztok a výše popsaný proces probíhá analogicky. Energie, která je ukládána v zásobníku, je sorpční teplo přiváděné ze solárních kolektorů pro desorpci akumulační látky a teplo odváděné pro využití uvolněné sorpcí vodní páry v látce – sorbentu. Akumulace tepla je dosaženo oddělením procesu desorpce (nabíjení zásobníku) od procesu sorpce (vybíjení zásobníku). Po vysušení sorbentu může v tomto „nabitém“ stavu zásobník zůstat bez tepelných ztrát až do doby, kdy je spuštěn proces adsorpce nebo absorpce.
Obr. 3.9 Princip uzavřeného cyklu s tuhým sorbentem
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS184453
Solární zásobníky tepla
99
Uzavřený systém využívá stejného jevu, avšak pro přenos vody (vodní páry) jako pracovní látky nevyužívá vzduchu. Podobně jako otevřené systémy i uzavřené systémy pracují buď s tuhým adsorbentem nebo kapalným absorbentem (viz obr. 3.9). Celý systém je vakuován a oddělen od vnějšího prostředí (uzavřen). Do sorbentu je teplo přiváděno a z něj odváděno přes výměníky tepla. Podobně do vody je teplo pro její odpaření přiváděno výparníkem a odváděno kondenzátorem pro zkapalnění. Během desorpce je do sorbentu přiváděno teplo z vysokopotenciálního zdroje (solární kolektory), sorbent se vysušuje, uvolňuje se z něj vodní pára a ta kondenzuje v kondenzátoru, který je současně chlazen (odvod nízkopotenciálního tepla, např. do okolního prostředí). V časovém úseku akumulace je suchý sorbent oddělen od kapalné pracovní látky. V opačném režimu sorpce se do výparníku přivádí nízkopotenciální teplo z okolního prostředí pro odpaření vodní páry za nízkého tlaku. Ta se přivádí do sorbentu, pohlcuje se v něm a ze sorbentu je odváděno sorpční teplo (vysokopotenciální o využitelné teplotní hladině). Občas se takové systémy nazývají chemická tepelná čerpadla. Účinnost celého systému a hustota akumulace je značně závislá na efektivitě přenosu tepla do sorbentu a do vodní páry a přenosu vodní páry mezi výparníkem/kondenzátorem a sorbentem, tedy na kvalitě sdílení tepla do těchto látek výměníky. Příklad uzavřeného adsorpčního zásobníku je uveden na obr. 3.10. Jako tuhé sorbenty se využívají mikroporézní a mezoporézní materiály, např. silikagely, zeolity, aj. Nevýhodou jsou vysoké potřebné teploty pro jejich desorpci. Pro využití v solární technice jsou proto hledány nové materiály na bázi aluminosilikátů, které mají hustotu akumulace obdobnou jako zeolity. Mezi kapalnými sorbenty se nejvíce používá LiCl v kombinaci s vodou jako pracovní látkou. V současné době v oblasti akumulace s využitím sorpce probíhá intenzivní výzkum. Byla realizována řada demonstračních projektů, nicméně sorpční technologie je zatím velmi drahá vzhledem k vysokým investičním nákladům a ve srovnání s konvenčními způsoby akumulace stále ekonomicky nedostupná. Zajímavé se jeví především hybridní kombinace vytápění a chlazení nebo chlazení a odvlhčování, kde lze využít i další funkce než pouze akumulaci Obr. 3.10 Zásobník se zeolitem, zdroj: Fraunhofer IGB energie.
3.1.4 Akumulace s využitím chemických reakcí Pro akumulaci energie je možné využít také vratných chemických reakcí, kdy v jednom směru jde o reakci endotermickou spojenou s jímáním a akumulací tepla a v opačném směru o reakci exotermickou s uvolněním tepla. Princip lze zapsat rovnicí (3.3) kde přivedením reakčního tepla ΔH lze sloučeninu AB rozložit na dvě samostatné látky A a B. Produkty reakce A a B musí být snadno separovatelné a nepodléhat dalším reakcím. Složky AB a A jsou zpravidla v pevném nebo kapalném skupenství, látka B je zpravidla plyn. Množství akumulovaného tepla je dáno
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS184453
100 Solární zařízení v příkladech (3.4) kde je
ar reagující podíl látky; m hmotnost látky [kg]; ΔH reakční teplo [J/kg]. Akumulace s využitím chemických reakcí je vysoce energetický proces a hustoty akumulace se pohybují od 1 000 do 3 000 MJ/m3. Produkty reakce mohou být skladovány při pokojové teplotě (bez ztrát, bez nutnosti tepelné izolace, citelné teplo je nepoměrně menší vzhledem k reakčnímu). V praxi jde především o rozklad hydridů kovů, oxidů kovů, peroxidů aj., avšak pro solární tepelnou techniku za relativně vysokých teplot. V tab. 3.2 jsou uvedeny některé dvojice látek spolu s jejich vlastnostmi. Látky s endotermní reakcí ve vhodné teplotní úrovni do 100 °C jsou zatím ve stádiu základního výzkumu. Akumulace s využitím vratných chemických reakcí je navíc provázena řadou problémů, zejména se stabilitou, reverzibilitou, životností, tlaky v reaktoru, korozí a toxicitou.
Tab. 3.2 Látky pro akumulaci s využitím reakčního tepla Reakce materiálů
AB MgSO4·7H2O FeCO3 Fe(OH)2 CaSO4·2H2O
←→
B
Hustota akumulace [GJ/m3]
MgSO4
H2O
2,8
122
FeO
CO2
2,6
180
FeO
H2O
2,2
150
CaSO4
H2O
1,4
89
A
+
Teplota reakce [°C]
3.2 Vodní solární zásobníky Mezi nejběžnější a nejpoužívanější zásobníky tepla pro solární kapalinové soustavy patří vodní zásobníky. Voda má oproti jiným materiálům řadu výhod: je dostupná, levná, netoxická, nehořlavá a má výborné přenosové vlastnosti a vysokou tepelnou kapacitu. K jejím nevýhodám patří omezený rozsah teplot použití: pod 0 °C tuhnutí se změnou objemu, nad 100 °C vypařování s výraznou změnou objemu a dále relativně malé povrchové napětí podporující úniky netěsnostmi a korozivita. Vodní zásobníky tepla lze rozlišit podle řady kritérií, nejčastěji podle počtu teplosměnných ploch, tlakových poměrů či účelu použití. Naprostou většinu používaných vodních zásobníků solárních soustav tvoří denní a vícedenní zásobníky tepla.
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS184453