Czarny chrom w kolektorach - połączenie nowoczesności i tradycji

Za jeden z najważniejszych elementów kolektora słonecznego uznaje się absorber. W pierwszej kolejności to od jego cech zależą efekt pracy instalacji solarnej. Absorber odpowiada za pozyskiwanie energii słonecznej, zamianę na ciepło i przekazywanie go do czynnika grzewczego (glikolu). Sam absorber bez pozostałych elementów kolektora, tak jak w szczególności - obudowy, izolacji cieplnej, czy przykrycia, byłby oczywiście bezużyteczny dla praktycznego zastosowania. Jednak od jego cech zależy nie tylko sprawność pracy kolektora słonecznego, ale przede wszystkim zachowanie parametrów w całym okresie eksploatacji, jaki przyjmuje się na przynajmniej 20÷25 lat.

Przekrój i elementy składowe płaskiego kolektora słonecznego Hewalex KS2000 SLP

Podziału absorberów na rodzaje można dokonywać ze względu na:

• rodzaj materiałów użytych do jego budowy (np. miedź, aluminium)
• rodzaj układu orurowania (np. harfa pojedyncza lub podwójna, meander, itd.)
• technologię wykonania (np. łączenie płyty i orurowania przez spawanie laserowe, lutowanie, czy zgrzewanie ultradźwiękowe, itd.)
• rodzaj warstwy absorbującej promieniowanie słoneczne (typu PVD lub czarny chrom)

Dwa najczęściej spotykane rodzaje absorberów ze względu na wykorzystanie materiałów: aluminiowo-miedziane oraz całkowicie miedziane. Warstwy typu PVD nanoszone są na blachy miedziane oraz aluminiowe, czarny chrom wymaga zastosowania blachy miedzianej.

Ostatnie z wymienionych kryteriów jest jedną z najważniejszych cech absorbera. Obecnie na rynku europejskim powszechnie stosuje się 3 rodzaje warstw absorbujących, które według statystyk [1] zajmują udziały rynkowe:
 

• 73% rynku: warstwy ceramiczno-metaliczne typu PVD
• 16% rynku: warstwy lakierowane
• 10% rynku: warstwy czarnego chromu

Standarem rynkowym są obecnie absorbery wykonywane z blachy aluminiowej pokrywanej warstwą PVD - od nazwy procesu produkcji (Physical vapor deposition). Produkcja przebiega w komorach próżniowych, gdzie blacha miedziana lub aluminiowa pokrywana jest krystalizującą na ich powierzchni warstwą absorbującą.

Absorbowanie promieniowania słonecznego (α) oraz emisyjność ciepła (ε) w zależności od rodzaju powierzchni. Warstwy selektywne cechują się obniżoną emisyjnością ciepła. Warstwy PVD na cechują się nieco korzystniejszymi parametrami od czarnego chromu, jednak dotyczy to nowych warstw. Z czasem zjawisko tzw. starzenia się, powoduje szybszą utratę parametrów przez tego rodzaju warstwy [2].

Ze względu na możliwość wielkoskalowej produkcji, warstwy typu PVD od lat 90-tych zaczęły wypierać inne technologie. Producenci kolektorów słonecznych kupują gotowe arkusze lub role blachy pokrywanej warstwą typu PVD. W przeciwieństwie do tego, warstwy czarnego chromu lub lakierowane, są wytwarzane przeważnie w miejscu produkcji absorbera - bezpośrednio przez producenta kolektora słonecznego. Produkcja ma przy tym charakter jednostkowy, tzn. absorber poddaje się obróbce w całości, już po zakończeniu prac – łączenia blachy i orurowania.

Produkcja czarnego chromu, a warstw typu PVD

Producenci blach pokrywanych warstwami typu PVD podkreślają niższą energochłonność produkcji oraz niższe obciążenie środowiska naturalnego, w porównaniu do technologii wytwarzania czarnego chromu. Jednak opracowanie Instytutu IZT w Berlinie [2] podkreśliło, że wyższa energochłonność produkcji czarnego chromu, jest rekompensowana jego wyższą trwałością.

Absorber pokrywany czarnym chromem, wymaga zastosowania blachy miedzianej, co dodatkowo podwyższa standard produktu. Tradycyjna technologia czarnego chromu, łączy się w kolektorze Hewalex KS2000 SLP, z nowoczesną technologią zgrzewania ultradźwiękowego blachy i orurowania absorbera.

Produkcja czarnego chromu ma charakter jednostkowy, ponieważ absorber dopiero po wykonaniu, w całości poddawany jest galwanizacji. Nie korzysta się z „półproduktu” jakim jest blacha pokryta warstwą PVD. Z tego też powodu, popularność czarnego chromu jest zdecydowania niższa na rynku. Charakter jego produkcji nie jest w stanie zaspokoić potrzeb rynkowych. Także koszt kolektora w przypadku większości producentów jest wyższy o około 20÷30% w porównaniu do kolektorów ze standardowymi absorberami „niebieskimi”. Wyjątkiem jest kolektor KS2000 SLP firmy Hewalex którego cena nie przewyższa ceny kolektora standardowego, z racji własnej produkcji w rodzimym zakładzie.

Czarny chrom - zachowanie parametrów w czasie eksploatacji

Absorber poddawany jest trudnym warunkom pracy, m.in. wskutek występowania wysokich temperatur na jego powierzchni. Mogą one w kolektorach płaskich osiągać wartość powyżej 200^oC (temperatura stagnacji przy nasłonecznieniu 1000 W/m² i temperaturze otoczenia 30^oC). W wieloletnich warunkach eksploatacji, warstwy absorbujące ulegają tzw. zjawisku starzenia się, objawiającemu się spadkiem współczynnika absorbcji promieniowania słonecznego (α) oraz wzrostem emisyjności ciepła (ε).

Wykres zmiany parametrów w czasie, dla 5-ciu poddanych badaniom próbek różnych producentów. Blacha aluminiowa (Al) lub miedziana (Cu) poddawana była temperaturze ponad 260oC w czasie 600 godzin. Dodatni współczynnik PC wskazuje na utratę parametrów (wzrost emisyjności ε, spadek absorbcji promieniowania słonecznego α). Wartość PC=0, to stan wyjściowy określony dla nowego absorbera [2].

Badania jakie przeprowadzono w instytutach IZT Berlin, ITW Stuttgart, czy też SPF Rapperswil, podkreśliły najwyższą trwałość czarnego chromu. Potwierdziło to potoczną opinię wielu wykonawców instalacji solarnych. Technologia czarnego chromu znana jest od 40 lat, podczas gdy PVD, praktycznie od 15 lat. Kolektory z czarnym chromem instalowane 15-20 lat temu w Polsce, pracują najczęściej do dnia dzisiejszego, potwierdzając w praktyce odporność na trudne warunki eksploatacji. W badaniach IZT Berlin, czarny chrom nieznacznie poprawił swoje parametry w stosunku do nowego stanu „0”. Wynika to z odparowania wilgoci jaka znajduje się po produkcji w głębi warstwy czarnego chromu. Trwałość warstw typu PVD określono na podstawie modelowania matematycznego na okres od 15 do 43 lat. Z kolei dla czarnego chromu określono ją jako „bezterminową”, co rekompensuje wyższe nakłady energii ponoszone przy jego produkcji [2].

Odporność na korozję

Badania prowadzone w zakresie odporności na korozję, potwierdzają także najwyższą tego rodzaju odporność dla czarnego chromu, który cechuje się większą grubością w stosunku do warstw PVD. W połączeniu z większą elastycznością czarnego chromu, zmniejsza to ryzyko występowania mikropęknięć i korozji absorbera. Absorbery z czarnym chromem z racji największej odporności na korozję atmosferyczną są zalecane do stosowania np. w strefie nadmorskiej. Tego typu kolektory są przez producentów określane jako wersja specjalna kolektora, konieczna lub zalecana do stosowania w trudnych warunkach pracy.
 

Warstwa czarnego chromu jest nanoszona na grube podłoże niklu pełniące rolę ochrony antykorozyjnej. Grubość całej warstwy jest około 70 razy większa niż warstw PVD. Dla porównania grubość włosa ludzkiego jest mniejsza około 500 razy od grubości warstwy PVD.

Kolektory z czarnym chromem są produkowane w firmie Hewalex od lat 90-tych, znajdując zastosowanie w kraju i w wielu krajach zachodnioeuropejskich, jak Szwajcaria, Szwecja, Hiszpania, Niemcy czy Belgia. Marketing producentów warstw PVD spowodował wycofanie się wielu producentów z produkcji tego typu kolektorów lub też ich ceny są zdecydowanie wyższe od kolektorów z „niebieskimi” absorberami.

Kolektory Hewalex KS2000 SLP z absorberem pokrywanym czarnym chromem, znajdują zastosowanie zarówno w małych, jak i w dużych instalacjach solarnych.

Absorbery z czarnym chromem cechują się dodatkowo głęboką czarną barwą, co dla niektórych klientów stanowi dodatkową wizualną zaletę. Należy też wspomnieć o możliwości jego odnowienia lub naprawy w sytuacjach uszkodzenia powierzchni np. przy gradobiciu. W przeciwieństwie do warstw typu PVD, absorber można bowiem poddać ponownej galwanizacji w celu naniesienia warstwy czarnego chromu. Technologia po kilku latach negowania sensu stosowania, „powróciła do łask” po wspomnianych badaniach w latach 2007-2009, prowadzonych przez Instytut IZT Berlin i ITW Stuttgart.

[1] “More automation, more adhesives”, Sun&Wind Energy 7/2012

[2] “Umweltstandards für thermische Solarkollektoren unter besonderer Berücksichtigung der selektiven Beschichtung ihrer Absorberoberflächen”, IZT Berlin 2009