Solarthermischer Kollektor

Ein Sonnenkollektor sammelt Wärme durch Absorption von Sonnenlicht. Der Begriff „Sonnenkollektor“ bezieht sich üblicherweise auf Solarwarmwasserpaneele, kann sich jedoch auf Installationen wie Solarparabolrinnen und Solartürme beziehen; oder grundlegende Installationen wie Solarwarmwasserbereiter. Konzentrierte Solarkraftwerke verwenden üblicherweise die komplexeren Kollektoren, um Elektrizität zu erzeugen, indem sie ein Fluid zum Antrieb einer an einen elektrischen Generator angeschlossenen Turbine aufheizen. Einfache Kollektoren werden typischerweise in Wohn- und Geschäftshäusern zur Raumheizung eingesetzt. Der erste Solarthermiekollektor für den Bau von Dächern wurde von William H. Goettl patentiert und als „Solarthermiekollektor und Heizkörper für das Gebäudedach“ bezeichnet.

Solarthermische Kollektoren, die Flüssigkeit erhitzen
Sonnenkollektoren sind entweder nicht konzentriert oder konzentrieren sich. Im nicht konzentrierenden Typ ist die Kollektorfläche (dh die Fläche, die die Sonnenstrahlung schneidet) die gleiche wie die Absorberfläche (dh die Fläche, die die Strahlung absorbiert). Bei diesen Typen absorbiert das gesamte Solarpanel Licht. Konzentrierende Kollektoren haben einen größeren Interzeptor als Absorber.

Flachkollektoren und Vakuumröhren-Solarkollektoren werden verwendet, um Wärme für Raumheizung, Brauchwasser oder Kühlung mit einer Absorptionskältemaschine zu sammeln.

Flachkollektoren
Flachkollektoren sind die gebräuchlichste Solarthermie-Technologie. Sie bestehen aus einem (1) Gehäuse, das (2) eine dunkel gefärbte Absorberplatte mit Flüssigkeitszirkulationspassagen und (3) eine transparente Abdeckung enthält, um die Übertragung von Sonnenenergie in das Gehäuse zu ermöglichen. Die Seiten und die Rückseite des Gehäuses sind typischerweise isoliert, um den Wärmeverlust an die Außenluft zu reduzieren. Ein Fluid zirkuliert durch die Fluiddurchgänge des Absorbers, um Wärme von dem Sonnenkollektor zu entfernen. Die Zirkulationsflüssigkeit in tropischen und subtropischen Klimaten ist typischerweise Wasser. In Klimazonen, in denen das Gefrieren wahrscheinlich ist, kann anstelle von Wasser oder in einer Mischung mit Wasser eine Wärmeübertragungsflüssigkeit verwendet werden, die einer Kraftfahrzeug-Frostschutzlösung ähnlich ist. Wenn eine Wärmeübertragungsflüssigkeit verwendet wird, wird typischerweise ein Wärmeaustauscher verwendet, um Wärme von der Sonnenkollektorflüssigkeit zu einem Warmwasserspeicherbehälter zu übertragen. Die am häufigsten verwendete Absorberkonstruktion besteht aus Kupferrohren, die an wärmeleitenden Kupfer- oder Aluminiumrippen befestigt sind. Eine dunkle Beschichtung wird auf die sonnenzugewandte Seite der Absorberanordnung aufgebracht, um die Absorption von Solarenergie zu erhöhen. Eine übliche Absorberbeschichtung ist eine flache schwarze Emailfarbe.

Bei den leistungsfähigeren Solarkollektorkonstruktionen besteht die transparente Abdeckung aus gehärtetem Glas mit reduziertem Eisenoxidgehalt (die grüne Farbe ist sichtbar, wenn eine Fensterscheibe von der Seite betrachtet wird). Das Glas kann auch ein Tüpfelmuster haben, eine Antireflexbeschichtung, um mehr Sonnenenergie durch Verringerung der Reflexion einzufangen. Die Absorberbeschichtung ist typischerweise eine selektive Beschichtung. Selektive Beschichtungen haben spezielle optische Eigenschaften, um die Effizienz zu verbessern, indem sie die Emission von Infrarot-Energie aus dem Absorber reduzieren.

Einige Hersteller haben kostengünstige Flachkollektoren eingeführt, die transparente Polycarbonat-Abdeckungen und Polypropylen-Absorberanordnungen verwenden.

Die meisten Luft-Wärme-Hersteller und einige Wasser-Wärme-Hersteller haben einen vollständig überfluteten Absorber, der aus zwei Metallplatten besteht, zwischen denen die Flüssigkeit hindurchläuft. Da die Wärmeaustauschfläche größer ist, können sie marginal effizienter sein als herkömmliche Absorber.

An Standorten mit durchschnittlicher verfügbarer Sonnenenergie werden Flachkollektoren ungefähr eine halbe bis ein Quadratfuß pro Gallone eines Tages mit heißem Wasser verwendet. Absorberrohrkonfigurationen umfassen:

Harfe – traditionelles Design mit Bottom-Pipe-Riser und Top-Sammelrohr, verwendet in Niederdruck-Thermosiphon und gepumpten Systemen;
Serpentin – ein kontinuierliches S, das die Maximaltemperatur, aber nicht die Gesamtenergieausbeute in Systemen mit variablem Durchfluss maximiert, die in kompakten solaren Brauchwassersystemen (ohne Raumheizungsfunktion) verwendet werden;
überfluteter Absorber, bestehend aus zwei Metallblechen, die zur Erzeugung einer Zirkulationszone gestanzt sind;
Grenzschichtabsorberkollektoren, die aus mehreren Schichten transparenter und opaker Schichten bestehen, die eine Absorption in einer Grenzschicht ermöglichen. Da die Energie in der Grenzschicht absorbiert wird, kann die Wärmeumwandlung effizienter sein als bei Kollektoren, bei denen absorbierte Wärme durch ein Material geleitet wird, bevor die Wärme in einer zirkulierenden Flüssigkeit akkumuliert wird.

Polymerflachkollektoren sind eine Alternative zu Metallkollektoren und werden jetzt in Europa produziert. Diese können vollständig Polymer sein, oder sie können Metallplatten vor Frost-toleranten Wasserkanälen aus Silikongummi umfassen. Polymere sind flexibel und daher frostbeständig und können reines Wasser anstelle von Frostschutzmittel verwenden, so dass sie direkt in bestehende Wassertanks eingesetzt werden können, anstatt Wärmetauscher zu benötigen, die die Effizienz verringern. Durch den Verzicht auf einen Wärmetauscher müssen die Temperaturen nicht so hoch sein, dass das Zirkulationssystem eingeschaltet werden kann, so dass direkte Zirkulationsplatten, ob Polymer oder nicht, effizienter sein können, insbesondere bei niedrigen Lichtniveaus. Einige früher selektiv beschichtete Polymerkollektoren litten unter Überhitzung, wenn sie isoliert wurden, da Stagnationstemperaturen den Schmelzpunkt des Polymers überschreiten können. Zum Beispiel ist der Schmelzpunkt von Polypropylen 160 ° C (320 ° F), während die Stagnationstemperatur von isolierten thermischen Kollektoren 180 ° C (356 ° F) übersteigen kann, wenn keine Steuerungsstrategien verwendet werden. Aus diesem Grund wird Polypropylen in glasierten, selektiv beschichteten Solarkollektoren nicht oft verwendet. Zunehmend werden Polymere wie hochtemperaturbeständige Silicone (die bei über 250 ° C schmelzen) verwendet. Einige verglaste Solarkollektoren auf Basis von Nicht-Polypropylen-Polymeren sind eher mattschwarz beschichtet als selektiv beschichtet, um die Stagnationstemperatur auf 150 ° C (302 ° F) oder weniger zu reduzieren.

Vakuumröhrenkollektoren
Die meisten Vakuumröhrenkollektoren werden in Mitteleuropa für ihren Kern mit Wärmerohren betrieben, anstatt Flüssigkeit direkt durch sie zu leiten. Direktfluss ist in China beliebter. Evakuierte Wärmerohrrohre (EHPTs) bestehen aus mehreren evakuierten Glasrohren, die jeweils eine Absorberplatte enthalten, die mit einem Wärmerohr verschmolzen ist. Die Wärme wird auf die Übertragungsflüssigkeit (Wasser oder eine Frostschutzmischung – typischerweise Propylenglykol) eines Warmwasser- oder Wasserheizsystems in einem Wärmetauscher, der als „Verteiler“ bezeichnet wird, übertragen. Der Verteiler ist in Isolierung eingewickelt und mit einem schützenden Blech- oder Kunststoffgehäuse abgedeckt. Das Vakuum im Inneren der Vakuumröhrenkollektoren hat nachweislich eine Lebensdauer von mehr als 25 Jahren, die reflektierende Beschichtung für das Design ist im Vakuum innerhalb des Rohrs eingekapselt, das nicht abgebaut wird, bis das Vakuum verloren geht. Das Vakuum, das die Außenseite des Rohrs umgibt, reduziert die Konvektions- und Leitungswärmeverluste erheblich und erreicht daher einen höheren Wirkungsgrad als Flachkollektoren, insbesondere bei kälteren Bedingungen. Dieser Vorteil ist weitgehend in wärmeren Klimazonen verloren, außer in den Fällen, wo sehr heißes Wasser wünschenswert ist, z. B. für kommerzielle Prozesse. Die hohen Temperaturen, die auftreten können, erfordern möglicherweise ein spezielles Design, um Überhitzung zu vermeiden.

Einige Vakuumröhren (Glas-Metall) bestehen aus einer Glasschicht, die am oberen Ende mit dem Wärmerohr verschmilzt und das Wärmerohr und den Absorber im Vakuum umschließt. Andere (Glas-Glas) werden mit einer Doppelschicht aus Glas hergestellt, die an einem oder beiden Enden mit einem Vakuum zwischen den Schichten verschmolzen sind (wie eine Vakuumflasche oder ein Kolben), wobei der Absorber und das Wärmerohr bei normalem Atmosphärendruck enthalten sind. Glas-Glas-Rohre haben eine sehr zuverlässige Vakuumdichtung, aber die zwei Glasschichten reduzieren das Licht, das den Absorber erreicht. Feuchtigkeit kann in den nicht evakuierten Bereich der Röhre eindringen und eine Absorberkorrosion verursachen. Glas-Metall-Rohre erlauben mehr Licht, um den Absorber zu erreichen, und schützen Absorber und Wärmerohr vor Korrosion, auch wenn sie aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind (siehe galvanische Korrosion).

Die Lücken zwischen den Rohren können es ermöglichen, dass Schnee durch den Kollektor fällt, was den Produktionsverlust bei einigen verschneiten Bedingungen minimiert, obwohl das Fehlen von Strahlungswärme aus den Rohren auch ein effektives Abwerfen von angesammeltem Schnee verhindern kann.

Vergleich von Flach- und Vakuumröhrenkollektoren
Zwischen den Befürwortern dieser beiden Technologien besteht seit langem ein Argument. Ein Teil davon kann mit der physikalischen Struktur von Vakuumröhrenkollektoren zusammenhängen, die eine diskontinuierliche Absorptionsfläche aufweisen. Eine Anordnung von evakuierten Rohren auf einem Dach hat einen offenen Raum zwischen den Sammelrohren und ein Vakuum zwischen den zwei konzentrischen Glasrohren jedes Sammlers. Kollektorröhren decken nur einen Bruchteil einer Einheitsfläche auf einem Dach ab. Wenn evakuierte Röhren mit Flachkollektoren auf der Basis der belegten Dachfläche verglichen werden, könnte eine andere Schlussfolgerung gezogen werden, als wenn die Absorberflächen verglichen würden. Darüber hinaus ist die Norm ISO 9806 nicht eindeutig in der Art und Weise, wie die Effizienz von thermischen Sonnenkollektoren gemessen werden sollte, da diese entweder in Bezug auf die Bruttofläche oder in Bezug auf die Absorberfläche gemessen werden könnten. Leider ist die Leistungsabgabe für thermische Kollektoren wie für PV-Module nicht gegeben. Dies macht es für Einkäufer und Ingenieure schwierig, fundierte Entscheidungen zu treffen.

Flachkollektoren verlieren in der Regel mehr Wärme an die Umgebung als Vakuumröhren als eine zunehmende Funktion der Temperatur. Sie sind für Hochtemperaturanwendungen wie die Prozessdampfproduktion ungeeignet. Vakuumröhrenkollektoren haben im Vergleich zu flachen Platten ein geringeres Verhältnis von Absorberplattenfläche zu Bruttofläche (typischerweise 60-80% der Bruttofläche). Basierend auf der Absorberplattenfläche sind die meisten Vakuumröhrensysteme pro Quadratmeter effizienter als vergleichbare Flachplattensysteme. Dies macht sie auch dort geeignet, wo der Dachraum begrenzt ist, beispielsweise wenn die Anzahl der Bewohner eines Gebäudes höher ist als die Anzahl der Quadratmeter geeigneten und verfügbaren Dachraumes. Im Allgemeinen liefern evakuierte Röhren pro installiertem Quadratmeter geringfügig mehr Energie, wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist (z. B. im Winter) oder wenn der Himmel bedeckt ist. Aber auch in Gebieten ohne viel Sonnenschein und Sonnenwärme können einige kostengünstige Flachkollektoren kosteneffizienter sein als Vakuumröhrenkollektoren. Obwohl mehrere europäische Unternehmen Vakuumröhrenkollektoren herstellen, wird der Markt für Vakuumröhren von den Herstellern im Osten dominiert. Mehrere chinesische Unternehmen haben eine Erfolgsgeschichte von 15-30 Jahren. Es gibt keinen eindeutigen Beweis, dass sich die beiden Designs hinsichtlich der Langzeitzuverlässigkeit unterscheiden. Die Vakuumröhrentechnologie ist jedoch jünger und muss (insbesondere für neuere Varianten mit abgedichteten Wärmerohren) noch eine wettbewerbsfähige Lebensdauer aufweisen. Die Modularität von Vakuumröhren kann hinsichtlich Dehnbarkeit und Wartung vorteilhaft sein, beispielsweise wenn das Vakuum in einer Röhre abnimmt.

Anwendungen
Die Hauptanwendung dieser Technologie liegt in Wohngebäuden, in denen der Bedarf an heißem Wasser einen großen Einfluss auf die Energierechnung hat. Dies bedeutet im Allgemeinen eine Situation mit einer großen Familie oder eine Situation, in der der Heißwasserbedarf aufgrund häufigen Waschens der Wäsche übermäßig ist. Kommerzielle Anwendungen umfassen Waschsalons, Autowaschanlagen, militärische Wascheinrichtungen und gastronomische Einrichtungen. Die Technologie kann auch für die Raumheizung verwendet werden, wenn sich das Gebäude außerhalb des Netzes befindet oder die Stromversorgung häufig unterbrochen wird. Solare Wasserheizsysteme sind höchstwahrscheinlich kosteneffektiv für Anlagen mit Wasserheizungssystemen, die teuer zu betreiben sind, oder mit Betrieben wie Wäschereien oder Küchen, die große Mengen an heißem Wasser benötigen. Unglasierte Flüssigkeitssammler werden üblicherweise verwendet, um Wasser für Schwimmbäder zu erhitzen, können aber auch bei einer großflächigen Wasservorwärmung eingesetzt werden. Wenn die Lasten relativ zur verfügbaren Kollektorfläche groß sind, kann der Großteil der Wassererwärmung bei niedriger Temperatur durchgeführt werden, niedriger als die Pooltemperaturen, bei denen unglasierte Kollektoren auf dem Markt als die richtige Wahl etabliert sind. Da diese Kollektoren hohen Temperaturen nicht standhalten müssen, können sie weniger teure Materialien wie Kunststoff oder Gummi verwenden. Viele unglasierte Sammler sind aus Polypropylen und müssen vollständig entleert werden, um Frostschäden zu vermeiden, wenn die Lufttemperatur in klaren Nächten unter 44 F fällt.

Schüssel
Eine Solarschüssel ist eine Art von Sonnenkollektor, der ähnlich wie eine Parabolschüssel funktioniert, aber anstatt einen Tracking-Parabolspiegel mit einem festen Empfänger zu verwenden, hat er einen festen sphärischen Spiegel mit einem Tracking-Empfänger. Dies reduziert die Effizienz, macht es jedoch billiger zu bauen und zu betreiben. Designer nennen es eine feste Spiegel verteilte Fokus Solaranlage. Der Hauptgrund für seine Entwicklung war, die Kosten des Bewegens eines großen Spiegels zu beseitigen, um die Sonne wie mit Parabolisch-Teller-Systemen zu verfolgen.

Ein feststehender Parabolspiegel erzeugt ein verschieden geformtes Bild der Sonne, die sich über den Himmel bewegt. Nur wenn der Spiegel direkt auf die Sonne gerichtet ist, fokussiert sich das Licht auf einen Punkt. Deshalb verfolgen Parabolspiegelsysteme die Sonne. Ein feststehender sphärischer Spiegel bündelt das Licht unabhängig von der Sonnenposition am selben Ort. Das Licht ist jedoch nicht auf einen Punkt gerichtet, sondern ist auf einer Linie von der Oberfläche des Spiegels zu einem halben Radius verteilt (entlang einer Linie, die durch das Kugelzentrum und die Sonne verläuft).

Wenn sich die Sonne über den Himmel bewegt, ändert sich die Öffnung eines festen Kollektors. Dies führt zu Änderungen in der Menge des eingefangenen Sonnenlichts, was zu dem sogenannten Sinuseffekt der Leistungsabgabe führt. Befürworter des Solarkugeldesigns behaupten, dass die Verringerung der Gesamtleistungsabgabe im Vergleich zu Nachführparabolspiegeln durch geringere Systemkosten ausgeglichen wird.

Das an der Brennlinie eines sphärischen Reflektors konzentrierte Sonnenlicht wird unter Verwendung eines Tracking-Empfängers gesammelt. Dieser Empfänger wird um die Brennlinie geschwenkt und wird normalerweise ausgeglichen. Der Empfänger kann aus Rohren bestehen, die Fluid für die Wärmeübertragung oder Solarzellen zur direkten Umwandlung von Licht in Elektrizität tragen.

Das Design der Solarboelle entstand aus einem Projekt der Electrical Engineering Department der Texas Technical University unter der Leitung von Edwin O’Hair, um ein 5-MWe-Kraftwerk zu entwickeln. Eine Solarschale wurde für die Stadt Crosbyton, Texas als Pilotanlage gebaut. Die Schale hatte einen Durchmesser von 65 Fuß (20 m), geneigt in einem Winkel von 15 °, um die Kosten / Ausbeute-Beziehung zu optimieren (33 ° hätte eine maximale Ausbeute). Der Rand der Hemisphäre wurde auf 60 ° „getrimmt“ und erzeugte eine maximale Öffnung von 308,3 m2. Diese Pilotschale produzierte Elektrizität mit einer Spitzenleistung von 10 kW.

Eine Auroville-Solarbox mit einem Durchmesser von 15 Metern wurde von einem früheren Test einer 3,5-Meter-Schale in den Jahren 1979-1982 vom Tata Energy Research Institute entwickelt. Dieser Test zeigte die Verwendung der Solarschüssel bei der Herstellung von Dampf zum Kochen. Das vollständige Projekt zum Bau einer Solarschüssel und Küche lief ab 1996 und war bis 2001 voll funktionsfähig.

Solarthermische Kollektoren, die Luft heizen
Ein einfacher Solarluftkollektor besteht aus einem Absorbermaterial, das manchmal eine selektive Oberfläche aufweist, um Strahlung von der Sonne einzufangen und diese Wärmeenergie durch Wärmeleitung auf die Luft zu übertragen. Diese erwärmte Luft wird dann zum Gebäuderaum oder zum Prozessbereich geleitet, wo die erwärmte Luft zur Raumheizung oder Prozessheizung benötigt wird. In ähnlicher Weise wie ein konventioneller Umluftofen arbeiten Solar-Thermo-Luft-Systeme mit Wärme, indem sie Luft über eine Energiesammelfläche zirkulieren lassen, die thermische Energie der Sonne absorbieren und Luft, die mit ihr in Kontakt kommt, leiten. Einfache und effektive Kollektoren können für eine Vielzahl von Klima- und Prozessanwendungen hergestellt werden.

Eine Vielzahl von Anwendungen kann solare Luftwärmetechnologien nutzen, um den CO2-Fußabdruck durch den Einsatz konventioneller Wärmequellen wie fossiler Brennstoffe zu reduzieren, um ein nachhaltiges Mittel zur Erzeugung von Wärmeenergie zu schaffen. Anwendungen wie Raumheizung, Verlängerung der Gewächshaussaison, Vorheiz-Lüftungs-Makeup-Luft oder Prozesswärme können durch solare Luftheizungsvorrichtungen angegangen werden. Auf dem Gebiet der „solaren Kraft-Wärme-Kopplung“ werden solarthermische Technologien mit Photovoltaik (PV) kombiniert, um die Effizienz des Systems zu erhöhen, indem Wärme von den PV-Kollektoren weggenommen und die PV-Module gekühlt werden, um ihre elektrische Leistung zu verbessern und gleichzeitig Luft zu erwärmen für die Raumheizung.

Raumheizung und Lüftung
Raumheizung für private und kommerzielle Anwendungen kann durch die Verwendung von Solar-Luftheizplatten erfolgen. Diese Konfiguration arbeitet, indem Luft von der Gebäudehülle oder von der Außenumgebung angesaugt und durch den Kollektor geleitet wird, wo sich die Luft durch Wärmeleitung vom Absorber erwärmt und dann entweder durch passive Mittel oder mit Hilfe von einem dem Wohn- oder Arbeitsraum zugeführt wird Ventilator. Eine Pionierfigur dieser Art von Systemen war George Löf, der 1945 ein solar beheiztes Luftsystem für ein Haus in Boulder, Colorado, baute. Später fügte er ein Kiesbett zur Wärmespeicherung hinzu.

In den meisten gewerblichen, industriellen und institutionellen Gebäuden sind Belüftung, Frischluft oder Zusatzluft erforderlich, um die Anforderungen an den Code zu erfüllen. Durch Ansaugen von Luft durch einen entsprechend konstruierten unglasierten Luftdurchlass oder Lufterhitzer kann die solar geheizte Frischluft die Heizlast während des Tagesbetriebs reduzieren. Viele Anwendungen werden jetzt installiert, wo der durchgelaufene Kollektor die Frischluft vorwärmt, die in ein Wärmerückgewinnungsventilator eintritt, um die Abtauzeit von HRVs zu verringern. Je höher Ihre Belüftung und Temperatur ist, desto besser wird Ihre Amortisationszeit sein.

Prozessheizung
Solare Luftwärme wird auch in Prozessanwendungen wie Trocknen von Wäsche, Getreide (dh Tee, Mais, Kaffee) und anderen Trocknungsanwendungen verwendet. Luft, die durch einen Sonnenkollektor erhitzt und dann über ein zu trocknendes Medium geleitet wird, kann ein wirksames Mittel bereitstellen, um den Feuchtigkeitsgehalt des Materials zu verringern.

Solar-Luftkollektoren
Kollektoren werden üblicherweise nach ihren Luftführungsmethoden als eine von drei Arten klassifiziert:

Durchlasskollektoren
Frontpass
Rückpass
Kombination von Front- und Rückholkollektoren

Sammler können auch nach ihrer äußeren Oberfläche klassifiziert werden:

glasiert
unglasiert

Durchlasskollektor
Mit der höchsten Effizienz einer beliebigen Solartechnologie, der Durchströmkonfiguration, strömt Luft, die auf einer Seite des Absorbers geführt wird, durch ein perforiertes Material und wird von den leitenden Eigenschaften des Materials und den konvektiven Eigenschaften der sich bewegenden Luft erwärmt. Durchlaufabsorber weisen die größte Oberfläche auf, die relativ hohe Wärmeübertragungsraten ermöglicht, aber ein signifikanter Druckabfall kann eine größere Ventilatorleistung erfordern, und die Verschlechterung bestimmter Absorbermaterialien nach vielen Jahren Sonnenbestrahlung kann zusätzlich Probleme mit der Luftqualität und -leistung verursachen .

Rück-, Front- und Kombinationsluftkollektor
Bei Konfigurationen mit Rückpass-, Front-Pass- und Kombinationstyp wird die Luft entweder auf die Rückseite, die Vorderseite oder auf beide Seiten des Absorbers geleitet, um von den Rückführ- zu den Versorgungsleitungs-Sammelrohren erwärmt zu werden. Obwohl die Luft auf beiden Seiten des Absorbers eine größere Oberfläche für die Wärmeübertragung zur Verfügung stellt, können Probleme mit Staub (Verschmutzung) durch die Luft auf der Vorderseite des Absorbers entstehen, die die Absorbereffizienz durch Begrenzung der Menge an Sonnenlicht verringert . In kalten Klimazonen verursacht die Luft neben der Verglasung zusätzlich einen größeren Wärmeverlust, was zu einer geringeren Gesamtleistung des Kollektors führt.

Glasierte Systeme
Verglaste Systeme haben normalerweise ein transparentes Deckblatt und isolierte Seiten- und Rückwände, um den Wärmeverlust an die Umgebungsluft zu minimieren. Die Absorberplatten in modernen Platten können ein Absorptionsvermögen von mehr als 93% aufweisen. Verglaste Solarkollektoren (Rezirkulationstypen, die normalerweise für die Raumheizung verwendet werden). Die Luft strömt typischerweise entlang der Vorder- oder Rückseite der Absorberplatte, während sie Wärme direkt von ihr ableitet. Erhitzte Luft kann dann direkt für Anwendungen wie Raumheizung und Trocknen verteilt oder für die spätere Verwendung gespeichert werden. Die Amortisationszeit für verglaste Solar-Luftheizplatten kann je nach Brennstoff weniger als 9-15 Jahre betragen.

Unglasierte Systeme
Unglasierte Systeme oder durchlüftete Luftsysteme wurden verwendet, um Schmink- oder Ventilationsluft in kommerziellen, industriellen, landwirtschaftlichen und Prozessanwendungen zu erwärmen. Sie bestehen aus einer Absorberplatte, die von Luft durchströmt oder durchströmt wird, während sie Wärme vom Absorber schöpft. Nicht-transparente Verglasungsmaterialien sind weniger teuer und verringern die erwarteten Amortisationszeiten. Durchlüftete Kollektoren gelten als „unglasiert“, weil ihre Kollektorflächen den Elementen ausgesetzt sind, oft nicht transparent und nicht hermetisch abgeschlossen sind.

Unglasierte durchsichtige Solarkollektoren

Hintergrund
Der Begriff „unglasierter Luftkollektor“ bezieht sich auf ein solares Luftheizsystem, das aus einem Metallabsorber ohne Glas oder einer Glasur darüber besteht. Die häufigste Art von unglasierten Kollektor auf dem Markt ist der durchsichtige Sonnenkollektor. Die Technologie wurde von diesen Regierungsbehörden intensiv überwacht, und Natural Resources Canada entwickelte das Machbarkeits-Tool RETScreen ™, um die Energieeinsparungen von Solarkollektoren zu modellieren. Seit dieser Zeit wurden mehrere tausend durchsichtige Solarkollektorsysteme in einer Vielzahl von kommerziellen, industriellen, institutionellen, landwirtschaftlichen und Prozessanwendungen in Ländern auf der ganzen Welt installiert. Diese Technologie wurde ursprünglich hauptsächlich in industriellen Anwendungen wie Produktions- und Montagewerken eingesetzt, wo hohe Lüftungsanforderungen, Schichtdeckenwärme und oft Unterdruck im Gebäude herrschten. Mit der zunehmenden Bestrebung, erneuerbare Energieanlagen an Gebäuden zu installieren, werden durchsichtige Solarkollektoren jetzt durch den gesamten Gebäudebestand wegen der hohen Energieproduktion (bis zu 750 Spitzenwärmeleistung / Quadratmeter), der hohen Sonnenumwandlung (bis zu 90%) und Geringere Kapitalkosten im Vergleich zu Photovoltaik und Solarwasser.

Die solare Luftheizung ist eine Heizungstechnologie mit erneuerbarer Energie, die verwendet wird, um Luft für Gebäude oder Prozesswärmeanwendungen zu erwärmen oder zu klimatisieren. Es ist in der Regel die kosteneffektivste aller Solartechnologien, vor allem in Großanwendungen, und es befasst sich mit der größten Nutzung von Gebäudeenergie in Heizklima, das ist Raumheizung und industrielle Prozesswärme. Sie sind entweder glasiert oder unglasiert.

Methode der Operation
Unglasierte Luftkollektoren erwärmen die (Außen-) Umgebungsluft statt der rückgeführten Gebäudeluft. Sonnenkollektoren werden in der Regel an der Wand montiert, um den niedrigeren Sonnenstand in den Wintermonaten sowie Sonnenreflexionen vom Schnee zu erfassen und ihre optimale Leistung und Kapitalrendite bei einem Durchfluss von 4 bis 8 CFM pro Quadratfuß zu erreichen (72 bis 144 m3 / h.m2) Kollektorfläche.

Die Außenfläche eines durchsichtigen Sonnenkollektors besteht aus Tausenden winziger Mikroperforationen, die es ermöglichen, die Grenzschicht der Wärme einzufangen und gleichmäßig in einen Lufthohlraum hinter den Außenplatten zu ziehen. Diese erwärmte Lüftungsluft wird unter Unterdruck in das Lüftungssystem des Gebäudes gesaugt und dort mit herkömmlichen Mitteln oder über ein Solarkanalsystem verteilt.

Heiße Luft, die in ein HVAC-System eindringen kann, das an einen durchlässigen Kollektor angeschlossen ist, dessen Luftauslässe oben auf dem Kollektor angeordnet sind, insbesondere wenn der Kollektor nach Westen ausgerichtet ist. Um diesem Problem entgegenzuwirken, hat Matrix Energy einen transpirierten Kollektor mit einer niedrigeren Luftaustrittsposition und einem perforierten Hohlraumrahmungsrahmen patentiert, um erhöhte Luftturbulenzen hinter dem perforierten Absorber für erhöhte Leistung zu erzeugen.

Diese Schnittdarstellung zeigt die durch MatrixAir durchströmten Solarkollektorkomponenten und den Luftstrom. Der untere Lufteinlass mindert den Einlass von erwärmter Luft in das HVAC-System während des Sommerbetriebs.

Das umfangreiche Monitoring von Natural Resources Canada und NREL hat gezeigt, dass durchgetarnte Solarkollektorsysteme 10-50% der konventionellen Heizlast reduzieren und dass RETScreen ein genauer Prädiktor für die Systemleistung ist. Durchlüftete Solarkollektoren fungieren als Regenschutz und erfassen auch Wärmeverluste, die aus der Gebäudehülle entweichen, die im Kollektorraum gesammelt und in das Lüftungssystem zurückgeleitet werden. Bei Solar-Luftheizsystemen ist keine Wartung erforderlich und die voraussichtliche Lebensdauer beträgt mehr als 30 Jahre.

Variationen von Sonnenkollektoren
Unglasierte durchsichtige Kollektoren können auch für Anwendungen auf dem Dach montiert werden, für die es keine geeignete Südwand oder andere architektonische Überlegungen gibt. Matrix Energy Inc. hat ein auf dem Dach montiertes Produkt namens „Delta“ patentiert, ein modulares, auf dem Dach montiertes Solarluftheizsystem, bei dem südliche, nach Osten oder Westen gerichtete Fassaden einfach nicht verfügbar sind.

Jedes 10 Fuß (3,05 m) große Modul wird 250 CFM (425 m3 / h) vorgewärmte Frischluft liefern, was in der Regel jährliche Energieeinsparungen von 1100 kWh (4 GJ) pro Jahr bedeutet. Dieser einzigartige zweistufige, modulare, auf dem Dach montierte, durchsichtige Kollektor arbeitet mit einem Wirkungsgrad von fast 90%. Jedes Modul liefert über 118 l / s vorgewärmte Luft pro zwei Quadratmeter Kollektor. Bis zu sieben Kollektoren können in einer Reihe in Reihe geschaltet sein, ohne Begrenzung der Anzahl von Reihen, die parallel entlang einer zentralen Leitung verbunden sind, was typischerweise 4 CFM vorgeheizter Luft pro Quadratfuß verfügbarer Dachfläche ergibt. +

Durchgelaufene Kollektoren können so konfiguriert werden, dass sie die Luft zweimal erwärmen, um die Temperatur der gelieferten Luft zu erhöhen, wodurch sie sich sowohl für die Raumheizung als auch für die Lufterwärmung eignet. In einem zweistufigen System ist die erste Stufe der typische unverglaste durchsichtige Kollektor und die zweite Stufe hat eine Verglasung, die den durchgespritzten Kollektor bedeckt. Die Verglasung ermöglicht, dass die ganze erwärmte Luft von der ersten Stufe durch eine zweite Gruppe von durchgelaufenen Sammlern für eine zweite Stufe der Solarheizung geleitet wird.

Solarthermische Kollektoren, die Elektrizität erzeugen
Parabolrinnen, Schalen und Türme, die in diesem Abschnitt beschrieben sind, werden fast ausschließlich in solarthermischen Kraftwerken oder für Forschungszwecke verwendet. Für einige kommerzielle Solarklimasysteme wurden Parabolrinnen verwendet. Obwohl diese Solarkonzentratoren einfach sind, sind sie ziemlich weit von der theoretischen Maximalkonzentration entfernt. Zum Beispiel beträgt die Parabolrinnenkonzentration ungefähr 1/3 des theoretischen Maximums für den gleichen Akzeptanzwinkel, dh für die gleichen Gesamttoleranzen für das System. Das Erreichen des theoretischen Maximums kann erreicht werden, indem komplexere Konzentratoren auf der Basis von nicht-abbildenden Optiken verwendet werden. Solarthermische Kollektoren können auch in Verbindung mit photovoltaischen Kollektoren verwendet werden, um Kraft-Wärme-Kopplung zu erhalten.

Parabolrinne
Dieser Kollektortyp wird im Allgemeinen in Solarkraftwerken verwendet. Ein trogförmiger Parabolreflektor wird verwendet, um Sonnenlicht auf ein isoliertes Rohr (Dewar-Rohr) oder ein Wärmerohr zu konzentrieren, das im Brennpunkt angeordnet ist und Kühlmittel enthält, das Wärme von den Kollektoren zu den Kesseln im Kraftwerk überträgt.

Parabolisches Gericht
Bei einem Parabolspiegelkollektor konzentrieren ein oder mehrere Parabolspiegel die Sonnenenergie in einem einzigen Brennpunkt, ähnlich der Art und Weise, wie ein Spiegelteleskop das Sternenlicht fokussiert, oder eine Schüsselantenne bündelt Radiowellen. Diese Geometrie kann in Solaröfen und Solarkraftwerken verwendet werden.

Die Form einer Parabel bedeutet, dass einfallende Lichtstrahlen, die parallel zur Achse des Tellers sind, zum Fokus reflektiert werden, egal wo auf dem Teller sie ankommen. Das Licht der Sonne erreicht die Erdoberfläche fast vollständig parallel, und die Schale ist mit ihrer zur Sonne weisenden Achse ausgerichtet, so dass fast die gesamte einfallende Strahlung zum Brennpunkt der Schale reflektiert wird. Die meisten Verluste in solchen Kollektoren sind auf Unvollkommenheiten in der parabolischen Form und unvollkommener Reflexion zurückzuführen.

Verluste durch atmosphärische Streuung sind im Allgemeinen minimal. An einem trüben oder nebeligen Tag wird jedoch Licht in alle Richtungen durch die Atmosphäre gestreut, was die Effizienz eines Parabolspiegels erheblich verringert.

Bei der Konstruktion von Tellerrührkraftwerken wird ein Stirlingmotor, der an einen Dynamo gekoppelt ist, in den Mittelpunkt der Schüssel gestellt. Dieser absorbiert die auf ihn fokussierte Energie und wandelt sie in Elektrizität um.

Machtturm
Ein Power Tower ist ein großer Turm, der von Spiegeln mit der Bezeichnung Heliostaten umgeben ist. Diese Spiegel richten sich aus und bündeln das Sonnenlicht auf den Empfänger im oberen Teil des Turms. Die gesammelte Wärme wird in ein darunter befindliches Kraftwerk geleitet. Dieses Design erreicht sehr hohe Temperaturen. Hohe Temperaturen eignen sich zur Stromerzeugung mit herkömmlichen Methoden wie Dampfturbinen oder einer direkten chemischen Hochtemperaturreaktion wie flüssigem Salz. Durch die Konzentration von Sonnenlicht können aktuelle Systeme eine bessere Effizienz erzielen als einfache Solarzellen. Ein größerer Bereich kann abgedeckt werden, indem relativ kostengünstige Spiegel anstelle von teuren Solarzellen verwendet werden. Konzentriertes Licht kann über optische Glasfaserkabel zu einem geeigneten Ort umgeleitet werden, beispielsweise für die Beleuchtung von Gebäuden. Wärmespeicher für die Stromerzeugung während bewölkter und über Nacht Bedingungen kann erreicht werden, oft durch unterirdische Tanklagerung von erhitzten Flüssigkeiten. Geschmolzene Salze wurden mit gutem Erfolg verwendet. Andere Arbeitsflüssigkeiten, wie etwa flüssige Metalle, wurden ebenfalls aufgrund ihrer überlegenen thermischen Eigenschaften vorgeschlagen.

Konzentrierende Systeme erfordern jedoch eine Sonnennachführung, um die Sonneneinstrahlung am Kollektor aufrechtzuerhalten. Sie sind nicht in der Lage, bei diffusen Lichtverhältnissen eine signifikante Leistung bereitzustellen. Solarzellen sind in der Lage, eine gewisse Leistung zu liefern, selbst wenn der Himmel trübe wird, aber die Leistung von konzentrierenden Systemen fällt bei bewölktem Himmel drastisch ab, da diffuses Licht nicht konzentriert werden kann.