Solvärmekollektor - Solar thermal collector
| Del av en serie om |
| Hållbar energi |
|---|
 |
En solvärmekollektor samlar upp värme genom att absorbera solljus . Termen "solfångaren" hänför sig vanligen till en anordning för sol varmvatten uppvärmning , men kan hänvisa till stora kraftverk såsom sol paraboliska tråg och sol torn eller icke vatten upphettning anordningar såsom sol luftvärmare .
Solvärmesamlare är antingen koncentrerade eller koncentrerade. I icke-koncentrerade kollektorer är bländarområdet (dvs. området som tar emot solstrålningen ) ungefär detsamma som absorberarområdet (det vill säga området som absorberar strålningen). Ett vanligt exempel på ett sådant system är en metallplatta som är målad i en mörk färg för att maximera absorptionen av solljus. Energin samlas sedan in genom att kyla plattan med en arbetsvätska , ofta vatten eller glykol som rinner i rör som är fästa på plattan.
Koncentrerande samlare har en mycket större bländare än absorbatorområdet. Öppningen är typiskt i form av en spegel som är fokuserad på absorbatorn, som i de flesta fall är rören som bär arbetsvätskan. På grund av solens rörelse under dagen kräver koncentrerande uppsamlare ofta någon form av solspårningssystem, och kallas ibland för "aktiva" uppsamlare av denna anledning.
Icke-koncentrerade solfångare används vanligtvis i bostads-, industri- och kommersiella byggnader för uppvärmning av rum , medan koncentrerade solfångare i koncentrerade solkraftverk genererar el genom att värma en värmeöverföringsvätska för att driva en turbin ansluten till en elektrisk generator .
Solvärmekollektorer som värmer vatten
Flatplattor och evakuerade rörsolfångare används huvudsakligen för att samla upp värme för uppvärmning, varmvatten eller kyla med en absorptionskylare . I motsats till solpaneler med varmvatten använder de en cirkulerande vätska för att förskjuta värme till en separat behållare. Den första solvärmekollektorn som utformades för att bygga tak patenterades av William H. Goettl och kallades " solvärmesamlare och radiator för att bygga tak ".
Evakuerade platta solfångare är en nyare innovation och kan användas för solvärme för industriell kylning (SHIC) och solconditionering (SAC), där temperatur överstiger 100 ° C (212 ° F) krävs. Dessa icke-koncentrerade uppsamlare skördar både diffust och direkt ljus och kan använda ånga istället för vatten som vätska.
Platta tallrikssamlare
Plattplåtskollektorer är den vanligaste solenergitekniken i Europa . De består av ett (1) hölje som innehåller (2) en mörkfärgad absorberingsplatta med vätskecirkulationskanaler och (3) ett transparent lock för att möjliggöra överföring av solenergi till höljet. Skåpets sidor och baksida är vanligtvis isolerade för att minska värmeförlusten till omgivningen. En värmeöverföringsvätska cirkuleras genom absorberarens vätskepassager för att avlägsna värme från solfångaren. Cirkulationsvätskan i tropiska och subtropiska klimat är vanligtvis vatten. I klimat där frysning är sannolikt kan en värmeöverföringsvätska som liknar en frostskyddsvätska i bilar användas istället för vatten eller i en blandning med vatten. Om en värmeöverföringsvätska används används vanligtvis en värmeväxlare för att överföra värme från solfångarvätskan till en varmvattenbehållare. Den vanligaste absorptionsdesignen består av kopparrör som är förenat med en metallplåt med hög konduktivitet (koppar eller aluminium). En mörk beläggning appliceras på den mot solen vända sidan av absorbatorn för att öka dess absorption av solenergi. En vanlig absorberbeläggning är svart emaljfärg.
I konstruktioner med högre prestanda för solfångare är det transparenta locket härdat natriumkalkglas med reducerat järnoxidinnehåll som för solcellspaneler . Glaset kan också ha ett stipplande mönster och en eller två antireflekterande beläggningar för att ytterligare förbättra transparensen . Absorberbeläggningen är typiskt en selektiv beläggning, där selektiv står för att ha den speciella optiska egenskapen för att kombinera hög absorption i den synliga delen av det elektromagnetiska spektrumet kopplat till låg emittans i det infraröda . Detta skapar en selektiv yta , som minskar svarta kroppens energiutsläpp från absorbatorn och förbättrar prestandan. Rörledningar kan vara laser- eller ultraljudssvetsade på absorberarket för att minska skador på den selektiva beläggningen, som vanligtvis appliceras före anslutning till stora spolar i en roll-to-roll-process .
Absorber rörsystem konfigurationer inkluderar:
- harpa : traditionell design med bottenrörsuppgångar och toppuppsamlingsrör , används i lågtrycks termosyfon och pumpade system;
- serpentin : ett kontinuerligt S-format rör som maximerar temperaturen men inte total energiutbyte i system med variabla flöden, används i kompakta system för varmvatten från solenergi (ingen uppvärmningsroll);
- översvämmade: består av två metallplåtar gjutna för att producera en bred cirkulationszon som förbättrar värmeöverföringen ;
- gränsskikt : består av flera lager av transparenta och ogenomskinliga ark som möjliggör absorption i ett gränsskikt. Eftersom energin absorberas i gränsskiktet kan värmeomvandlingen vara mer effektiv än för kollektorer där absorberad värme leds genom ett material innan den ackumuleras i cirkulerande vätska.
En platt tallrikssamlare som använder en bikakestruktur för att minska värmeförlusten även på glasidan har också gjorts tillgänglig kommersiellt. De flesta plattskivsamlare har en förväntad livslängd på över 25 år.
Evakuerade rörsamlare
Evakuerade rörsamlare är den vanligaste solenergitekniken i Kina och i världen. De använder ett glasrör för att omge absorbatorn med högt vakuum och effektivt motstå atmosfärstryck . Vakuumet som omger absorbatorn minskar kraftigt konvektion och ledningsvärmeförlust och uppnår därför högre energiomvandlingseffektivitet . Absorberaren kan antingen vara metallisk som i fallet med platta samlare eller vara ett andra koncentriskt glasrör ("Sydney Tube"). Värmeöverföringsvätska kan strömma in och ut ur varje rör eller vara i kontakt med ett värmerör som når inuti röret. För det senare överför värmeledningar värme till vätskan i en värmeväxlare som kallas ett "grenrör" placerat på tvären i förhållande till rören. Fördelaren är insvept i isolering ( glasull ) och täckt av ett skyddande metall- eller plastfodral som också används för fastsättning på stöd.
Glas-metall-evakuerade rör är tillverkade med platta eller böjda metallabsorberark som liknar platta plattor. Dessa ark sammanfogas med rör eller värmerör för att göra "fenor" och placeras inuti ett enda rör av borsilikatglas . En antireflekterande beläggning kan avsättas på insidan och utsidan av sådana rör för att förbättra transparensen. Både selektiv och antireflekterande beläggning (innerrörets yta) bryts inte ned förrän vakuumet försvinner. En högvakuumtät glas-metalltätning krävs dock på en eller båda sidor av varje evakuerat rör. Denna tätning cirkuleras mellan omgivningstemperatur och vätsketemperatur varje dag då kollektorn används och kan leda till fel i tiden.
Glas-evakuerade rör tillverkas med två borsilikatglasrör som smälts samman i ena eller båda ändarna (liknande en vakuumflaska eller dewar-kolv). Absorberfinnen placeras inuti innerröret vid atmosfärstryck. Glasrör har en mycket tillförlitlig tätning, men de två lagren av glas minskar mängden solljus som når absorbatorn. Den selektiva beläggningen kan avsättas på det inre borosilikatröret (högvakuumsidan) för att undvika detta, men värme måste då flöda genom den dåligt ledande glastjockleken hos innerröret i detta fall. Dessutom kan fukt komma in i det icke-evakuerade området inuti innerröret och orsaka absorberande korrosion i synnerhet när det är tillverkat av olika material ( galvanisk korrosion ).
En Barium -blixtpump förångas vanligtvis inuti det höga vakuumgapet mellan rören för att hålla det inre trycket stabilt genom tiden.
De höga temperaturerna som kan uppstå inuti evakuerade rör kan kräva speciell konstruktion för att förhindra överhettning . Vissa evakuerade rörsamlare fungerar som en termisk envägsventil på grund av deras värmerör. Detta ger dem en inneboende maximal arbetstemperatur som fungerar som en säkerhetsfunktion. Evakuerade rörsamlare kan också förses med lågkoncentrerande reflektorer på baksidan av rören som förverkligar en CPC -kollektor.
Jämförelser av platta och evakuerade rörsamlare
Ett mångårigt argument finns mellan förespråkarna för dessa två tekniker. En del av detta kan relateras till strukturen hos evakuerade rörsamlare som har ett diskontinuerligt absorptionsområde. En rad evakuerade rörsamlare på ett tak har utrymme mellan de enskilda rören och ett vakuumgap mellan varje rör och dess absorberare inuti, och täcker bara en bråkdel av installationsområdet på ett tak. Om evakuerade rör jämförs med platta uppsamlare på grundval av takytans yta (bruttoarea), kan en annan slutsats nås än om absorbatorn eller öppningsytorna jämfördes. Den senaste översynen av ISO 9806 -standarden säger att solvärmesamlarnas effektivitet bör mätas i bruttoarea och detta kan gynna platta plattor med avseende på evakuerade rörsamlare i direkta jämförelser.
|
En jämförelse av energieffekten (kW.h/dag) för en platt plattsamlare (blå linjer; Thermodynamics S42-P; absorber 2,8 m 2 ) och en evakuerad rörsamlare (gröna linjer; SunMaxx 20EVT; absorber 3,1 m 2. Data erhålls från SRCC-certifieringsdokument på Internet Tm-Ta = temperaturskillnad mellan vatten i kollektorn och omgivningstemperaturen Q = insolering under mätningarna. För det första, eftersom (Tm-Ta) ökar plattplattans uppsamlare förlorar effektivitet snabbare än evac -rörsamlaren. Detta innebär att plattplattsamlaren är mindre effektiv i att producera vatten högre än 25 grader C över omgivningen (dvs till höger om de röda märkena på grafen). För det andra, även om utsignalen från båda kollektorerna sjunker starkt under grumliga förhållanden (låg insolering) ger evac -rörsamlaren betydligt mer energi under grumlighet än plattplattsamlaren. Även om många faktorer hindrar extrapolationen från två kollektorer till två olika tekniker ovan, de grundläggande relationerna mellan deras effektivitet förblir giltiga. |
|
Ett fältförsök som illustrerar skillnaderna som diskuteras i figuren till vänster. En platt tallrikssamlare och en evakuerad slanguppsamlare av liknande storlek installerades intill varandra på ett tak, var och en med en pump, styrenhet och lagringstank. Flera variabler loggades under en dag med periodiskt regn och moln. Grön linje = solstrålning. Den övre rödbruna linjen indikerar temperaturen på evakrörsuppsamlaren för vilken cykeln av pumpen är mycket långsammare och till och med stannar i cirka 30 minuter under de kalla delarna av dagen (bestrålning låg), vilket indikerar en långsam värmeuppsamling. Temperaturen på plattplattsamlaren sjönk betydligt under dagen (nedre lila linjen) men började cykla igen senare på dagen när bestrålningen ökade. Temperaturen i vattenlagringstanken i evakrörssystemet (mörkblå graf) ökade med 8 grader C under dagen medan den för plattplattesystemet (ljusblå graf) bara förblev konstant. Med tillstånd av ITS-solar. |
Plattplåtskollektorer förlorar vanligtvis mer värme till miljön än evakuerade rör eftersom det inte finns någon isolering på glasidan. Evakuerade rörsamlare har i själva verket ett lägre förhållande absorberare till bruttoarea (vanligtvis 60–80% mindre) än plana plattor eftersom rör måste placeras åtskilda. Även om flera europeiska företag tillverkar evakuerade rörsamlare (huvudsakligen av glasmetall), domineras den evakuerade rörmarknaden av tillverkare i Kina, medan vissa företag har meritlistor på 15–30 år eller mer. Det finns inga entydiga bevis för att de två konstruktionerna skiljer sig åt vad gäller långsiktig tillförlitlighet. Evakuerad rörteknik (särskilt för nyare varianter med tätningar av glasmetall och värmerör) behöver dock fortfarande visa konkurrenskraftiga livslängder. Modulariteten hos evakuerade rör kan vara fördelaktig när det gäller töjbarhet och underhåll, till exempel om vakuumet i ett värmerörsrör går förlorat kan det enkelt bytas ut med minimal ansträngning.
I de flesta klimat kommer plattplattsamlare i allmänhet att vara mer kostnadseffektiva än evakuerade rör. Evakuerade rörsamlare är dock väl lämpade för kalla omgivningstemperaturer och fungerar bra i situationer med låg solstrålning, vilket ger värme mer konsekvent under hela året. Oglaserade platta uppsamlare är de föredragna enheterna för uppvärmning av poolvatten. Olaserade uppsamlare kan vara lämpliga i tropiska eller subtropiska miljöer om tappvarmvatten behöver värmas med mindre än 20 ° C (36 ° F) över omgivningstemperatur. Evakuerade rörsamlare har mindre aerodynamiskt drag, vilket kan möjliggöra en enklare installation på tak i blåsiga platser. Mellanrummen mellan rören kan tillåta snö att falla genom uppsamlaren, vilket minimerar produktionsförlusten vid vissa snöiga förhållanden, även om bristen på strålad värme från rören också kan förhindra effektiv avhämtning av ackumulerad snö. Plattskivsamlare kan vara lättare att rengöra. Andra egenskaper, till exempel utseende och enkel installation, är mer subjektiva och svåra att jämföra.
Evakuerade platta samlare
Evakuerade platta solfångare ger alla fördelar med både platta och evakuerade rörsamlare kombinerade tillsammans. De omger en stor plåtabsorberare med högt vakuum inuti ett platt kuvert av glas och metall. De erbjuder den högsta energiomvandlingseffektiviteten hos alla icke-koncentrerande solvärmesamlare, men kräver sofistikerad teknik för tillverkning. De bör inte förväxlas med platta samlare med lågt vakuum inuti. Den första kollektorn som använde högvakuumisolering utvecklades på CERN , medan TVP SOLAR SA i Schweiz var det första företaget som kommersialiserade Solar Keymark -certifierade samlare 2012.
Evakuerade platta solfångare kräver både en tätning av glas-metall för att foga glasplattan med resten av metallhöljet och en inre struktur för att stödja en sådan platta mot atmosfärstryck. Absorberaren måste segmenteras eller förses med lämpliga hål för att rymma sådan struktur. Sammanfogning av alla delar måste vara högt vakuumtätt och endast material med lågt ångtryck kan användas för att förhindra avgasning . Glas-metall-tätningsteknik kan baseras antingen på metalliserat glas eller förglasad metall och definierar typen av uppsamlare. Till skillnad från evakuerade rörsamlare använder de icke-förångningsbara getterpumpar (NEG) för att hålla det inre trycket stabilt genom tiden. Denna getterpumpteknik har fördelen att den ger viss regenerering på plats genom exponering för solljus. Evakuerade platta solfångare har undersökts för solens luftkonditionering och jämfört med kompakta solkoncentratorer.
Uppsamlare av platta plattor
Dessa samlare är ett alternativ till metallsamlare och tillverkas nu i Europa. Dessa kan vara helt polymer , eller de kan inkludera metallplattor framför frysetoleranta vattenkanaler gjorda av silikongummi . Polymerer är flexibla och därför frystoleranta och kan använda vanligt vatten istället för frostskyddsmedel, så att de kan sänkas direkt i befintliga vattentankar istället för att behöva värmeväxlare som sänker effektiviteten. Genom att avstå från en värmeväxlare behöver temperaturen inte vara så hög för att cirkulationssystemet ska kunna slås på, så sådana direktcirkulationspaneler, oavsett om de är polymera eller på annat sätt, kan vara mer effektiva, särskilt vid låga solstrålningsnivåer . Vissa tidigt selektivt belagda polymeruppsamlare led av överhettning när de isolerades, eftersom stagnationstemperaturer kan överstiga polymerens smältpunkt. Till exempel är smältpunkten för polypropen 160 ° C (320 ° F), medan stagnationstemperaturen för isolerade termiska uppsamlare kan överstiga 180 ° C (356 ° F) om kontrollstrategier inte används. Av denna anledning används polypropen inte ofta i glaserade selektivt belagda solfångare. I allt högre grad används polymerer såsom högt tempererade silikoner (som smälter vid över 250 ° C (482 ° F)). Vissa icke -polypropenpolymerbaserade glaserade solfångare är matt svartbelagda snarare än selektivt belagda för att minska stagnationstemperaturen till 150 ° C (302 ° F) eller mindre.
I områden där frysning är en möjlighet kan frystolerans (förmågan att frysa upprepade gånger utan att spricka) uppnås genom användning av flexibla polymerer. Silikongummirör har använts för detta ändamål i Storbritannien sedan 1999. Konventionella metalluppsamlare är sårbara för skador från frysning, så om de är vattenfyllda måste de försiktigt plumbas så att de helt tömmer med tyngdkraften innan frysning förväntas så att de inte rinner ut spricka. Många metallkollektorer installeras som en del av ett förseglat värmeväxlarsystem. Istället för att dricka vatten direkt genom kollektorerna används en blandning av vatten och frostskyddsmedel, såsom propylenglykol. En värmeväxlingsvätska skyddar mot frysskador ner till en lokalt bestämd risktemperatur som beror på andelen propylenglykol i blandningen. Användningen av glykol sänker vattnets värmekapacitet marginellt, medan tillägg av en extra värmeväxlare kan sänka systemets prestanda vid låga ljusnivåer.
En pool eller en obeglasad uppsamlare är en enkel form av plattplatssamlare utan ett transparent lock. Typiskt används polypropen- eller EPDM -gummi eller silikongummi som absorberare. Används för pooluppvärmning, det kan fungera ganska bra när den önskade utgångstemperaturen är nära omgivningstemperaturen (det vill säga när det är varmt ute). När omgivningstemperaturen blir svalare blir dessa uppsamlare mindre effektiva.
Skålsamlare
En solskål är en typ av solvärmekollektor som fungerar på samma sätt som en parabolisk maträtt , men istället för att använda en spårbar parabolisk spegel med en fast mottagare har den en fast sfärisk spegel med en spårningsmottagare. Detta minskar effektiviteten men gör det billigare att bygga och driva. Designers kallar det en fast spegel distribuerad fokus solenergisystem . Den främsta orsaken till dess utveckling var att eliminera kostnaden för att flytta en stor spegel för att spåra solen som med paraboliska skålsystem.
En fixerad parabolisk spegel skapar en olika bild av solen när den rör sig över himlen. Först när spegeln riktas direkt mot solen fokuserar ljuset på en punkt. Det är därför paraboliska skålsystem spårar solen. En fast sfärisk spegel fokuserar ljuset på samma plats oberoende av solens position. Ljuset riktas dock inte till en punkt utan fördelas på en linje från spegelns yta till en halv radie (längs en linje som löper genom sfärens centrum och solen).
När solen rör sig över himlen ändras bländaren för en fast kollektor. Detta orsakar förändringar i mängden fångat solljus och producerar det som kallas sinuseffekten av effekt. Förespråkare för solskålsdesignen hävdar att minskningen av den totala effekteffekten jämfört med spårning av parabolspeglar kompenseras av lägre systemkostnader.
Solljuset koncentrerat vid brännpunkten för en sfärisk reflektor samlas in med hjälp av en spårningsmottagare. Denna mottagare är svängbar runt fokuslinjen och är vanligtvis motvikt. Mottagaren kan bestå av rör som transporterar vätska för termisk överföring eller fotovoltaiska celler för direkt konvertering av ljus till elektricitet.
Solskålsdesignen kom från ett projekt av avdelningen för elektroteknik vid Texas Technical University, under ledning av Edwin O'Hair, för att utveckla ett kraftverk på 5 MWe. En solskål byggdes för staden Crosbyton, Texas som en pilotanläggning. Skålen hade en diameter på 65 fot (20 m), lutad i en 15 ° vinkel för att optimera förhållandet mellan kostnad och avkastning (33 ° skulle ha maximerat utbytet). Hemisfärens kant "trimmades" till 60 °, vilket skapade en maximal bländare på 3018,3 m 2 . Denna pilotskål producerade el med en hastighet av 10 kW topp.
En 15-meters (49 fot) diameter Auroville solskål utvecklades från ett tidigare test av en 3,5 meter (11 fot) skål 1979–1982 av Tata Energy Research Institute . Det testet visade användningen av solskålen vid produktion av ånga för matlagning. Projektet i full skala för att bygga en solskål och kök löpte från 1996 och var fullt operativt 2001.
På platser med genomsnittlig tillgänglig solenergi är plattplatssamlare cirka 1,2 till 2,4 kvadratcentimeter per liter av en dags varmvattenanvändning.
Ansökningar
Den huvudsakliga användningen av denna teknik är i bostadshus där efterfrågan på varmvatten har stor inverkan på energiräkningarna. Detta innebär i allmänhet en situation med en stor familj eller en situation där behovet av varmvatten är överdrivet på grund av frekvent tvätt av tvätt. Kommersiella applikationer inkluderar tvättstugor, biltvättar, militära tvättmöjligheter och matställen. Tekniken kan också användas för uppvärmning av byggnader om byggnaden ligger utanför nätet eller om strömförsörjningen utsätts för frekventa avbrott. Solvattenuppvärmningssystem är sannolikt kostnadseffektiva för anläggningar med vattenvärmesystem som är dyra att driva, eller med funktioner som tvättstugor eller kök som kräver stora mängder varmt vatten. Oglaserade vätskesamlare används vanligtvis för att värma vatten till simbassänger men kan också appliceras på storskalig vattenförvärmning. När belastningarna är stora i förhållande till det tillgängliga uppsamlingsområdet kan huvuddelen av vattenuppvärmningen göras vid låg temperatur, lägre än pooltemperaturer där oglaserade uppsamlare är väletablerade på marknaden som rätt val. Eftersom dessa uppsamlare inte behöver tåla höga temperaturer kan de använda billigare material som plast eller gummi. Många oglaserade uppsamlare är tillverkade av polypropylen och måste tömmas helt för att undvika frysskador när lufttemperaturer sjunker under 7 ° C (44 ° F) på klara nätter. En mindre men växande andel av oglaserade uppsamlare är flexibla vilket innebär att de tål vatten som fryser fast inuti sin absorberare. Frysproblemet behöver bara vara de vattenfyllda rörledningarna och uppsamlingsfördelarna i hårt frysläge. Olaserade solvarmvattensystem bör installeras för att "dränera" till en lagringstank när solstrålning är otillräcklig. Det finns inga problem med termisk chock med ogaserade system. Vanligt förekommande vid pooluppvärmning sedan solenergins tidiga början, värmer oglaserade solfångare upp poolvatten direkt utan behov av frostskydds- eller värmeväxlare. Varmvattensolsystem kräver värmeväxlare på grund av kontamineringsmöjligheter och i fallet med obeglasade uppsamlare, tryckskillnaden mellan solens arbetsvätska (vatten) och belastningen (kallt stadstryck under tryck). Storskaliga oglaserade varmvattenberedare, som den i Minoru Aquatic Center i Richmond, BC, arbetar vid lägre temperaturer än evakuerade rör eller boxade och glaserade uppsamlingssystem. Även om de kräver större och dyrare värmeväxlare, minskar alla andra komponenter inklusive ventilerade lagringstankar och oisolerade PVC -rör av plast dramatiskt kostnaderna för detta alternativ jämfört med kollektortyper med högre temperatur. När vi värmer varmt vatten värmer vi faktiskt kallt till varmt och varmt till varmt. Vi kan värma kallt till varmt lika effektivt med oglaserade uppsamlare, precis som vi kan värma varmt till varmt med högtemperaturuppsamlare.
Solvärmekollektorer som värmer luft
En enkel solfångare består av ett absorberande material, som ibland har en selektiv yta, för att fånga upp strålning från solen och överför denna termiska energi till luft via ledningsvärmeöverföring. Denna uppvärmda luft ledes sedan till byggnadsutrymmet eller till processområdet där den uppvärmda luften används för uppvärmning eller processuppvärmningsbehov. Solar-termiska luftsystem fungerar på liknande sätt som en konventionell luftluftsugn och ger värme genom att cirkulera luft över en energisamlande yta, absorbera solens värmeenergi och leda luft som kommer i kontakt med den. Enkla och effektiva uppsamlare kan tillverkas för en mängd olika luftkonditionerings- och processapplikationer.
Många applikationer kan använda solvärme teknik för att minska koldioxidavtrycket från användningen av konventionella värmekällor, till exempel fossila bränslen, för att skapa ett hållbart sätt att producera värmeenergi. Applikationer som uppvärmning, växthusförlängning, förvärmning av ventilationsluft eller processvärme kan hanteras av solvärmeenheter. Inom " solenergiproduktion " är solvärmeteknologier kopplade till solceller (PV) för att öka systemets effektivitet genom att ta bort värme från PV-kollektorerna, kyla PV-panelerna för att förbättra deras elektriska prestanda samtidigt som luften värms upp för uppvärmning av rum.
Uppvärmning och ventilation
Rymvärme för bostäder och kommersiella applikationer kan göras med hjälp av solvärmepaneler. Denna konfiguration fungerar genom att dra luft från byggnadens hölje eller från utomhusmiljön och passera den genom kollektorn där luften värms via ledning från absorbatorn och sedan matas till bo- eller arbetsutrymmet antingen passivt eller med hjälp av en fläkt. En föregångare i denna typ av system var George Löf, som byggde ett solvärmt luftsystem 1945 för ett hus i Boulder, Colorado. Han inkluderade senare en grusbädd för värmelagring.
Ventilation, frisk luft eller sminkluft krävs i de flesta kommersiella, industriella och institutionella byggnader för att uppfylla kodkrav. Genom att dra luft genom en korrekt utformad oglaserad luftuppsamlare eller en luftvärmare kan den soluppvärmda friska luften minska värmebelastningen under dagtid. Många applikationer installeras nu där den transporterade uppsamlaren förvärmer den friska luften som kommer in i en värmeåtervinningsventilator för att minska avfrostningstiden för HRV: er. Ju högre ventilation och temperatur desto bättre blir din återbetalningstid.
Processuppvärmning
Solvärme används också i processapplikationer som torkning av tvätt, grödor (te, majs, kaffe) och andra torkningsapplikationer. Luft som värms upp genom en solfångare och sedan passerar över ett medium som ska torkas kan ge ett effektivt sätt att minska materialets fuktinnehåll.
Solfångare för solvärme
Samlare klassificeras vanligen enligt sina luftkanalmetoder som en av tre typer:
- genomgångssamlare
- frontpass
- bakpass
- kombinerade fram- och bakpassskollektorer
Samlare kan också klassificeras efter deras yttre yta:
- glasad
- oglaserad
Genomgående luftuppsamlare
Genom att erbjuda den högsta effektiviteten av någon solteknik, passerar luftkanalen på ena sidan av absorbatorn genom ett perforerat material och värms från materialets ledande egenskaper och konvektiva egenskaper hos den rörliga luften. Genomgångsabsorberare har den mest yta som möjliggör relativt höga ledande värmeöverföringshastigheter, men betydande tryckfall kan kräva större fläktkraft och försämring av vissa absorberande material efter många års solstrålningsexponering kan dessutom skapa problem med luftkvalitet och prestanda .
Rygg-, fram- och kombinationspassager
I konfigurationer med backpass, frontpass och kombinationstyp riktas luften mot antingen baksidan, framsidan eller på båda sidor av absorbatorn som ska värmas från retur till tillförselkanalhuvudena. Även om luften passerar på båda sidor av absorbatorn ger en större yta för konduktiv värmeöverföring, kan det uppstå problem med damm (nedsmutsning) från luft som passerar på absorbatorns framsida, vilket minskar absorbatoreffektiviteten genom att begränsa mängden solljus som tas emot . I kallt klimat kommer luft som passerar bredvid glaset dessutom att orsaka större värmeförlust, vilket resulterar i lägre total prestanda hos kollektorn.
Glasade system
Glaserade system har vanligtvis en transparent toppskiva och isolerade sido- och bakpaneler för att minimera värmeförlust till omgivande luft. Absorberplattorna i moderna paneler kan ha en absorptionskapacitet på mer än 93%. Glasade solfångare (återcirkulerande typer som vanligtvis används för uppvärmning av rum). Luft passerar vanligtvis längs framsidan eller baksidan av absorberplattan medan skurning av värme direkt från den. Uppvärmd luft kan sedan distribueras direkt för applikationer som uppvärmning och torkning eller kan lagras för senare användning. Återbetalning för glasade solvärmepaneler kan vara mindre än 9–15 år beroende på vilket bränsle som byts ut.
Oglaserade system
Oglaserade system eller transpirerade luftsystem har använts för att värma smink- eller ventilationsluft i kommersiella, industriella, jordbruks- och processapplikationer. De består av en absorptionsplatta som luft passerar över eller genom när den skurar värme från absorbatorn. Otransparenta glasmaterial är billigare och minskar förväntade återbetalningstider. Transpirerade uppsamlare betraktas som "oglaserade" eftersom deras uppsamlingsytor är utsatta för elementen, ofta inte är transparenta och inte hermetiskt förslutna.
Oglaserade transpirerade solfångare
Bakgrund
Uttrycket "ogaserad luftuppsamlare" avser ett solvärmesystem som består av en metallabsorberare utan glas eller glasrutor överst. Den vanligaste typen av obeglasad solfångare på marknaden är den transpirerade solfångaren. Tekniken har övervakats omfattande av dessa statliga myndigheter, och Natural Resources Canada utvecklade genomförbarhetsverktyget RETScreen ™ för att modellera energibesparingarna från överförda solfångare. Sedan dess har flera tusen överförda solfångarsystem installerats i en mängd olika kommersiella, industriella, institutionella, jordbruks- och processapplikationer i länder runt om i världen. Denna teknik användes ursprungligen främst i industriella applikationer som tillverknings- och monteringsanläggningar där det fanns höga ventilationskrav, skiktad takvärme och ofta undertryck i byggnaden. Med den ökande drivkraften för att installera förnybara energisystem på byggnader används nu expirerade solfångare över hela byggnadsbeståndet på grund av hög energiproduktion (upp till 750 toppvärme/watt/kvadratmeter), hög solomvandling (upp till 90%) och lägre kapitalkostnader jämfört med solvärme och solvärme.
Solvärme är en uppvärmningsteknik för förnybar energi som används för att värma eller konditionera luft för byggnader eller bearbeta värmeapplikationer. Det är vanligtvis den mest kostnadseffektiva av alla soltekniker, särskilt i storskaliga applikationer, och det tar upp den största användningen av byggnadsenergi i uppvärmningsklimat, vilket är rumsuppvärmning och industriell processvärme. De är antingen inglasade eller oglaserade.
Användningsmetod
Olaserade luftuppsamlare värmer upp omgivande (uteluft) luft istället för återcirkulerad byggluft. Transpirerade solfångare är vanligtvis väggmonterade för att fånga den lägre solvinkeln under vintervärmemånaderna samt solreflektion från snön och uppnå optimal prestanda och avkastning på investeringen när de arbetar med flöden mellan 4 och 8 CFM per kvadratfot (72 till 144 m3/h.m2) kollektorområde.
Den yttre ytan på en transpirerad solfångare består av tusentals små mikroperforeringar som gör att gränsvärmeskiktet kan fångas upp och dras enhetligt in i ett lufthål bakom de yttre panelerna. Denna uppvärmda ventilationsluft dras under undertryck in i byggnadens ventilationssystem där den sedan distribueras via konventionella medel eller med hjälp av ett solkanalsystem.
Varmluft som kan komma in i ett HVAC -system som är anslutet till en transporterad kollektor som har luftutlopp placerade längs kollektorns ovansida, särskilt om uppsamlaren är västerut. För att motverka detta problem har Matrix Energy patenterat en transpirerad kollektor med lägre luftutloppsläge och perforerad hålighet för att uppnå ökad luftturbulens bakom den perforerade absorberaren för ökad prestanda.
Denna cutaway -vy visar MatrixAir -transpirerade solfångarkomponenter och luftflöde. Det nedre luftintaget mildrar intaget av uppvärmd luft till HVAC -systemet under sommardrift.
Den omfattande övervakningen av Natural Resources Canada och NREL har visat att transporterade solfångarsystem minskar mellan 10-50% av den konventionella värmebelastningen och att RETScreen är en exakt förutsägare för systemets prestanda. Transpirerade solfångare fungerar som en regnskärm och de fångar också upp värmeförlust som försvinner från byggnadens hölje som samlas upp i solfångarens lufthålighet och dras tillbaka in i ventilationssystemet. Det krävs inget underhåll med solvärmesystem och den förväntade livslängden är över 30 år.
Varianter av transporterade solfångare
Oglaserade transpirerade samlare kan också monteras på tak för applikationer där det inte finns någon lämplig vägg i söderläge eller för andra arkitektoniska överväganden. Matrix Energy Inc. har patenterat en takmonterad produkt som kallas "Delta", ett modulärt takmonterat solluftvärmesystem där fasader i söder-, öst- eller västläge helt enkelt inte är tillgängliga.
Varje tio fot (3,05 m) modul kommer att leverera 250 CFM (425 m3/h) förvärmd frisk luft som vanligtvis ger årliga energibesparingar på 1100 kWh (4 GJ) årligen. Denna unika tvåstegs, modulära takmonterade transpirerade uppsamlare som har en nästan 90% effektivitet för varje modul och levererar över 118 L/s förvärmd luft per två kvadratmeter uppsamlare. Upp till sju kollektorer kan vara seriekopplade i en rad, utan begränsning av antalet rader parallellt anslutna längs en central kanal som vanligtvis ger 4 CFM förvärmd luft per kvadratmeter tillgängligt takområde.
Transpired -kollektorer kan konfigureras för att värma luften två gånger för att öka den levererade lufttemperaturen, vilket gör den lämplig för både rumsuppvärmningsapplikationer och ventilationsluftvärme. I ett 2-stegs system är det första steget den typiska oglaserade transpirerade kollektorn och det andra steget har glas som täcker den transpirerade kollektorn. Inglasningen gör att all den uppvärmda luften från det första steget kan ledas genom en andra uppsättning transpirerade kollektorer för ett andra steg av solvärme.
Solvärmekollektorer som producerar el
Paraboliska tråg , tallrikar och torn som beskrivs i detta avsnitt används nästan uteslutande i solenergiproduktionsstationer eller för forskningsändamål. Paraboliska tråg har använts för vissa kommersiella solconditioneringssystem . Även om de är enkla är dessa solkoncentratorer ganska långt från den teoretiska maximala koncentrationen. Till exempel är den paraboliska dalkoncentrationen cirka 1/3 av det teoretiska maxvärdet för samma acceptationsvinkel , det vill säga för samma totala toleranser för systemet. Att närma sig det teoretiska maxvärdet kan uppnås genom att använda mer genomarbetade koncentratorer baserade på icke -bildoptik . Solvärmekollektorer kan också användas tillsammans med solcellssamlare för att få kombinerad värme och kraft.
Paraboliskt tråg
Denna typ av kollektor används vanligtvis i solkraftverk . En trågformad parabolreflektor används för att koncentrera solljuset på ett isolerat rör ( Dewar-rör ) eller värmerör , placerat vid kontaktpunkten , innehållande kylvätska som överför värme från kollektorerna till pannorna i kraftverket.
Parabolisk maträtt
Med en parabolisk skålsamlare koncentrerar en eller flera paraboliska rätter solenergi vid en enda kontaktpunkt, på samma sätt som ett reflekterande teleskop fokuserar stjärnljus, eller en maträttsantenn fokuserar radiovågor. Denna geometri kan användas i solugnar och solkraftverk.
Formen på en parabel innebär att inkommande ljusstrålar som är parallella med skålens axel kommer att reflekteras mot fokus, oavsett var på skålen de kommer. Ljus från solen kommer fram till jordens yta nästan helt parallellt, och skålen är inriktad med sin axel som pekar mot solen, så att nästan all inkommande strålning kan reflekteras mot skålens brännpunkt. De flesta förlusterna hos sådana uppsamlare beror på brister i den paraboliska formen och ofullkomlig reflektion.
Förluster på grund av atmosfärisk spridning är i allmänhet minimala. Men på en disig eller dimmig dag sprids ljus i alla riktningar genom atmosfären, vilket avsevärt minskar effektiviteten hos en parabolisk maträtt. I konstruktioner för omrörning av kraftverk placeras en omrörningsmotor kopplad till en dynamo i skålens fokus. Detta absorberar energin som fokuseras på den och omvandlar den till elektricitet.
Kraft torn
Ett krafttorn är ett stort torn omgivet av spårspeglar som kallas heliostats . Dessa speglar riktar in sig och fokuserar solljuset på mottagaren på toppen av tornet, uppsamlad värme överförs till en kraftstation nedanför. Denna design når mycket höga temperaturer. Höga temperaturer är lämpliga för elproduktion med konventionella metoder som ångturbin eller en direkt högtemperatur kemisk reaktion som flytande salt. Genom att koncentrera solljus kan nuvarande system få bättre effektivitet än enkla solceller. Ett större område kan täckas genom att använda relativt billiga speglar istället för att använda dyra solceller . Koncentrerat ljus kan omdirigeras till en lämplig plats via optisk fiberkabel för användning som belysning av byggnader. Värmelagring för kraftproduktion under grumliga och över natten förhållanden kan åstadkommas, ofta genom underjordisk tanklagring av uppvärmda vätskor. Smält salter har använts med god effekt. Andra arbetsvätskor, såsom flytande metaller, har också föreslagits på grund av deras överlägsna termiska egenskaper.
Koncentrationssystem kräver emellertid solspårning för att bibehålla solljusets fokus vid kollektorn. De kan inte ge betydande effekt vid diffust ljus . Solceller kan ge lite effekt även om himlen blir grumlig, men effekt från koncentreringssystem sjunker drastiskt i grumliga förhållanden eftersom diffust ljus inte kan koncentreras väl.
Standarder
- ISO -testmetoder för solfångare.
- EN 12975 : Termiska solsystem och komponenter. Solfångare.
- EN 12976 : Termiska solsystem och komponenter. Fabrikstillverkade system.
- EN 12977 : Termiska solsystem och komponenter. Skräddarsydda system.
- Solar Keymark: Termiska solsystem och komponenter. Högre nivå EN 1297X -certifiering som inkluderar fabriksbesök.
- International Code Council / Solar Rating & Certification Corporation: Testning utförs av oberoende laboratorier och inkluderar vanligtvis val av en solfångare som ska testas från en provgrupp på minst sex solfångare.
- ICC 901/ICC-SRCC ™ 100: Solar Thermal Collector Standard
- ICC 900/ICC-SRCC ™ 300: Solar Thermal System Standard
- ICC 902/APSP 902/ICC-SRCC ™ 400: Soluppvärmningssystem för pool och spa