Grundläggande information om solfångare

1. Problem relaterade till solenergi

Solljus är en universell energikälla som är gratis och tillgänglig för alla. Solens energikälla är praktiskt taget outtömlig. Solvärmeenergi kan användas för både uppvärmning och kylning. Nyckelapplikationer för solenergi inkluderar uppvärmning av hushållsvatten, uppvärmning av rum, pooluppvärmning och vissa industriella processer. Det finns dock några problem som hindrar en mer utbredd användning av solenergi. Det allvarligaste är att solenergi endast är tillgänglig under soliga dagar. Vid varje given tidpunkt beror mängden tillgänglig solenergi på väderförhållanden, läge och tid på året.

Solenergi som tas emot på en given plats kan variera avsevärt inom en timme eller till och med minuter. Under vintermånaderna, när efterfrågan på värmeenergi är som störst, kan relativt låg mängd solstrålning tas emot. I sin tur kan huvuddelen av den solenergi som finns tillgänglig under sommarperioden inte utnyttjas fullt ut på grund av det lägre behovet av värme under denna period.

2. Typer av solfångare

Solfångare omvandlar solstrålning till värme och överför denna värme till ett medium (vatten, solvätska eller luft). För närvarande erbjuder marknaden två grundläggande typer av solfångare: plattkollektorer och vakuumrörsfångare. En typisk plattuppsamlare består av en absorberande platta, transparent lock, styv ram och isolering. Ramen är vanligtvis gjord av aluminiumlegering eller galvaniserat stål. Ett solskyddsglas med lågt järnhalt används vanligtvis som ett genomskinligt skydd. En absorbatorplatta är en metallplåt med hög värmeledningsförmåga såsom koppar eller aluminium. Ovansidan på absorbatorplattan, som är utsatt för solen, är belagd för att maximera absorptionen av strålningsenergi och för att minimera strålningsemissionen.

Värme från solen som träffar absorbatorn överförs till en vätska som cirkulerar genom uppsamlingsrören. Platta solfångare kan monteras på en mängd olika sätt, beroende på typ av byggnad, applikation och storlek på solfångaren. Alternativen inkluderar montering på tak, i tak, på väggar eller som fristående enheter. Plattkollektorer används ofta i hushållsvattenuppvärmningssystem, för uppvärmning av poolvatten och vid soluppvärmning.

I vakuumrörskollektorer är absorbatorn placerad i ett evakuerat och trycksäkert glasrör. Absorbatorn liknar en termosflaska genom att den sätts in i ett glasrör som är under vakuumtryck. Vakuumet har utmärkta värmeisolerande egenskaper. Följaktligen är värmeförlusterna lägre än för plattkollektorer, särskilt vid låga temperaturer. Evakuerade rörsolfångare är mycket effektiva och kan uppnå mycket höga temperaturer. De kan vara ett effektivt alternativ till plattkollektorer för uppvärmning av bostäder, särskilt i områden där det ofta är molnigt. En vakuumrörsamlare är i allmänhet dyrare än en plattuppsamlare, men den är generellt sett mer effektiv i drift.

3. Samlarutbyte

Solfångarutbytet är en viktig variabel för dimensionering och drift av solvärmesystemet. Det kan beskrivas som den årliga energiproduktionen från kollektorn per kollektorarea (kWh/m2) för definierade driftförhållanden. Solfångarutbytet beror på många olika faktorer såsom solinstrålningen på platsen, lutningsvinkeln och orienteringen av solfångarens arbetsyta, eventuell skuggning av solfångarna och deras medeltemperatur.

4. Kollektor effektivitet

Solsystemets verkningsgrad beskriver förhållandet mellan den årliga mängden solenergi som omvandlas till tillgänglig värmeenergi och den instrålning som träffar kollektorns yta. Solfångarens verkningsgrad är beroende av systemets driftsförhållanden, i synnerhet på omgivnings- och kollektortemperaturerna. När kollektorn värms upp som ett resultat av solinstrålning, överförs en del av denna värme till omgivningen genom värmeledning av kollektormaterialet, värmestrålning och konvektion. Dessa förluster kan beräknas med värmeförlustkorrektionsvärdena: k1 och k2 och temperaturskillnaden ΔT mellan absorbatorn och omgivningen.

Maximal effektivitet uppnås när skillnaden mellan solfångaren och omgivningstemperaturen är noll och det inte finns några energiförluster till omgivningen. Uppsamlarens effektivitet sjunker med den ökande omgivningstemperaturen. Driftsäkerheten och den totala effektiviteten hos solsystemen är väsentligt relaterad till den implementerade tekniken och designen av solfångare.

• Plattuppsamlare ; optisk effektivitet cirka 80%, k1 cirka 4 W/(m²K), k2 cirka 0,01 W/(m²K²).
• Vakuumrörsamlare ; optisk effektivitet cirka 80%, k1 cirka 1,5 W/(m²K), k2 cirka 0,005 W/(m²K²).

5. Soltäckning

Soltäckningen är nästa viktiga parameter som krävs för att designa ett solvärmesystem. Soltäckningsparametern beskriver procentandelen av energin som krävs årligen för den avsedda användningen (dvs. för varmvattenapplikationer) som kan täckas av solvärmesystemet. Ju högre soltäckning man väljer, desto mer sparas konventionell energi. För ett solsystem som är designat för att täcka 100% av energibehovet för tappvarmvattenapplikationer på vintern, kommer det att finnas ett nettoenergiöverskott under sommarmånaderna.

Den högre soltäckningen innebär alltså lägre specifik avkastning per kvadratmeter av en kollektorarea och lägre kollektoreffektivitet. En bra kompromiss mellan soltäckning och solutbyte behövs för varje solvärmesystem. En sådan kompromiss innebär också en bra avvägning mellan investeringskostnader för ett solvärmesystem och vinster relaterade till konventionella energibesparingar.

I Tyskland är solcellssystem med en soltäckning på 50 till 60 procent konstruerade för varmvattenuppvärmning i småhus. En täckning på mindre än 50% är i allmänhet lämplig i flerfamiljshus. Soltäckningen är till stor del beroende av byggnadens energiegenskaper inklusive nivå av energiförbrukning, värmeisolering och lufttäthet i en byggnad. För att säkerställa en tillförlitlig värmeförsörjning kombineras solvärmesystem ofta med ytterligare värmekällor, t.ex. gas- eller oljepannor. Det möjliggör optimering av både värmesystemet som helhet och kostnader relaterade till varmvattenförsörjningen i bostäder.

6. Solvärmesystem

Den framgångsrika driften och hela effektiviteten hos ett solvärmesystem beror inte bara på kollektorkonfigurationen utan också på kvaliteten på alla komponenter som används i installationen och graden i vilken de är korrekt dimensionerade och anpassade till varandra. Även i fallet med en enkel dubbelmodell av ett solsystem är det uppenbart hur många komponenter som kan vara ansvariga för driftförhållandena för solcellsanläggningen.

Systemets totala verkningsgrad påverkas av verkningsgraden hos särskilda komponenter såsom en värmeväxlare, varmvattentank och cirkulationssystem för varmvatten men också ett styrsystem för driftsparametrar. Värmeförluster från oisolerade rör eller en dåligt isolerad varmvattentank kan minska effektiviteten avsevärt. Exempelvis kan förlusterna från en 300 l varmvattentank uppgå till 4 kWh/dygn x 365 dagar =1 460 kWh. Ersättningen för 50 procents förlust i en soltäckning kommer att kräva en extra uppsamlare på 1 m2 yta och en merförbrukning på 50 liter eldningsolja eller motsvarande annan form av bränsle. För en välisolerad varmvattentank och cirkulationssystem för varmvatten beräknas de totala förlusterna vanligtvis till cirka 30%.