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Thermische Sonnenkollektoren

Thermische Sonnenkollektoren

Ein Solarthermiekollektor, auch Solarthermiekollektor genannt, ist Bestandteil einer solarthermischen Anlage. Ein Sonnenkollektor ist eine Art Sonnenkollektor, der die Sonnenstrahlung aufnimmt und in Wärmeenergie umwandelt. Aus diesem Grund wird diese erneuerbare Energiequelle als Solarthermie bezeichnet.

Ziel dieses Solarmodultyps ist eine Energiewandlung: Die Sonneneinstrahlung der Solarmodule wird in Wärmeenergie umgewandelt. In einigen Arten von Solarthermieanlagen wird diese Wärme zur Erzeugung von Dampf und zur Gewinnung von Elektrizität verwendet, sie ist jedoch nicht die Funktion des Solarkollektors. Andererseits können Photovoltaikmodule Strom direkt in Form von Gleichstrom erzeugen.  Photovoltaik-Module sind ein unverzichtbarer Bestandteil von Photovoltaik-Solaranlagen.

Aus physikalischer Sicht nutzen solarthermische Kollektoren die Thermodynamik, um Energieumwandlungen durchzuführen. Im Gegensatz dazu nutzen Photovoltaikmodule nicht die Gesetze der Thermodynamik, um Sonnenenergie umzuwandeln, sondern es handelt sich um einen elektrischen Prozess.

Arten von Sonnenkollektoren

Es gibt viele Arten von Sonnenkollektoren. Der verwendete Sonnenkollektor hängt von der Verwendung ab, die gegeben wird. Wenn wir beispielsweise einen Pool im Frühjahr auf eine Temperatur von 25 bis 28 Grad Celsius erwärmen möchten, benötigen wir einen einfachen Sonnenkollektor, da die Umgebungstemperatur leicht in dieser Größenordnung oder noch höher liegt. Wenn wir dagegen eine Flüssigkeit auf Temperaturen von 200 ° C erwärmen möchten, benötigen wir Sonnenkollektoren, um die Sonnenstrahlung zu konzentrieren und auf ein kleines Flüssigkeitsvolumen zu übertragen.

Derzeit können wir auf dem Solarmarkt folgende Arten von Solarthermiekollektoren unterscheiden:

  • Der flache oder flache Sonnenkollektor. Diese Art von Solarpanel fängt die Sonnenstrahlung ein, die auf einer Oberfläche empfangen wird, um eine Flüssigkeit zu erwärmen. Der Treibhauseffekt wird oft dazu genutzt, Wärme einzufangen.
  • Der solarthermische Kollektor der Konzentration der Sonnenstrahlung. Diese Art von Kollektor fängt die auf einer relativ großen Oberfläche empfangene Strahlung ein und konzentriert sie durch Spiegel auf einer kleineren Oberfläche.
  • Der solarthermische Kollektor von Vakuumröhren. Dieser solarthermische Kollektor besteht aus einem Satz zylindrischer Röhren, die von einem selektiven Absorber gebildet werden, der sich auf einer reflektierenden Siedlung befindet und von einem transparenten Glaszylinder umgeben ist.

Bei Solaranwendungen bei niedrigen Temperaturen werden meist flache Solarthermiekollektoren verwendet. Eine Solaranwendung wird als bei niedriger Temperatur ausgeführt, wenn die Temperatur des Arbeitsmediums unter 80 ° C liegt. B. die Beheizung von Schwimmbädern, die Erzeugung von Brauchwarmwasser oder auch die Bereitstellung von Wärme. Diese benutzten flachen Platten können ohne glasierte Abdeckung oder nicht abhängig von der Anwendung getragen werden.

Flachkollektoren

FlachkollektorDie Seele eines Flachkollektors ist ein vertikales Tor aus Metallrohren, die parallel kaltes Wasser leiten und von unten durch ein horizontales Rohr mit dem Kaltwasserauslass und von oben durch ein anderes, dem Rücklauf ähnliches Rohr verbunden sind.

Der Grill ist, wie oben beschrieben, in eine Abdeckung eingebettet, in der Regel mit Doppelverglasung und dahinterliegender Isolierung.

Bei einigen Modellen von Flachkollektoren werden die vertikalen Röhren mit einer Metallplatte verschweißt, um die Isolation zwischen Röhre und Röhre zu nutzen.

Solarkollektoren von Vakuumröhren "Ganzglas"

In einem Solarkollektor aus Vakuumröhren werden die Metallröhren des vorhergehenden Systems durch Glasröhren ersetzt. Die Glasröhren sind einzeln in einer anderen Glasröhre eingekapselt, zwischen denen das Vakuum als Isolierung angelegt wird.

Die großen Vorteile von Solar-Vakuumröhrenkollektoren liegen in ihrer hohen Leistung. Wenn andererseits eines der Rohre ausfällt, muss nicht das gesamte Paneel gegen ein neues ausgetauscht werden, sondern nur das betroffene Rohr muss ausgetauscht werden. Im Gegenteil, wir haben den Nachteil, dass diese im Vergleich zu Flachkollektoren teurer sind.

Solarkollektoren von Vakuumröhren mit "Heatpipes" durch Phasenwechsel

Die Solarmodule, die dieses System verwenden, nutzen den Phasenwechsel von Dampf zu Flüssigkeit in jedem Rohr, um Energie an einen zweiten Transportflüssigkeitskreislauf zu liefern.

Die Elemente sind geschlossene Röhren, die die Flüssigkeit enthalten, die bei Erwärmung durch die Sonne kocht und sich in Dampf verwandelt. Diese Röhren bestehen normalerweise aus Kupfer. Der erzeugte Dampf steigt nach oben, wo sich ein breiter Kopf befindet (Kondensationszone). Der äußere Teil der Kondensationszone steht in Kontakt mit der Förderflüssigkeit. Da sich die Umwandlungsflüssigkeit auf einer Temperatur unterhalb des Dampfes des Rohres befindet, fängt sie dank eines thermodynamischen Konvektionsprozesses die Wärme ein und bewirkt, dass der Dampf kondensiert. Die kondensierte Flüssigkeit fällt zurück in den unteren Teil des Rohrs, um den Zyklus erneut zu starten.

Die Flüssigkeit in der Röhre kann Wasser sein, das einen niedrigen Siedepunkt hat, um auch bei Einstrahlung von Infrarotstrahlen im Falle einer Wolke zu arbeiten. Das Wärmerohr kann mit Isoliermaterialien umwickelt werden, um Strahlungsverluste zu minimieren.

Schließlich wird das Wärmerohr in einem anderen Glasrohr verschlossen, zwischen dem das Vakuum isoliert wird. Beständige Glasröhren werden normalerweise verwendet, um Schäden im Falle eines kleinen Matsches zu reduzieren.

Konzentration Solarkollektoren

Konzentration SolarkollektorenIn der Solarenergie ist ein Konzentrationssolarkollektor ein Solarpanel, das eine Technik zur Konzentration der Sonnenstrahlung verwendet, um hohe Temperaturen zu erzielen. Diese Technik wird in Solaranlagen mit hohen und sehr hohen Temperaturen angewendet.

Abhängig von der Energieanwendung, die Sie geben möchten, gibt es verschiedene Technologien, um diese Technik zur Gewinnung erneuerbarer Energie anzuwenden. Auf diese Weise können wir beispielsweise Parabolrinnen-Sonnenkollektoren oder konzentrierende Sonnenöfen finden, um höhere Temperaturen zu erzielen.

Komponenten eines Sonnenkollektors

Standard-Sonnenkollektoren bestehen aus folgenden Elementen:

  • Abdeckung: Die Abdeckung eines Sonnenkollektors ist transparent, kann vorhanden sein oder nicht. Es besteht in der Regel aus Glas, obwohl auch Kunststoff verwendet wird, da es kostengünstiger und handlicher ist, aber es muss ein spezieller Kunststoff sein. Seine Funktion ist es, Verluste durch Konvektion und Strahlung zu minimieren und muss daher die höchstmögliche solare Durchlässigkeit aufweisen. Das Vorhandensein des Dachs verbessert die thermodynamische Leistung des Solarmoduls.
  • Luftkanal: Es ist ein Raum (leer oder nicht), der die Abdeckung der Saugplatte trennt. Seine Dicke wird unter Berücksichtigung des Ziels berechnet, Konvektionsverluste und die hohen Temperaturen auszugleichen, die auftreten können, wenn er zu eng ist.
  • Absorbierende Platte: Die absorbierende Platte ist das Element, das Sonnenenergie absorbiert und an die Flüssigkeit weiterleitet, die durch die Rohre zirkuliert. Das Hauptmerkmal der Platte ist, dass sie eine große Sonnenabsorption und eine verringerte Wärmeabgabe aufweisen muss. Da gängige Materialien diese Anforderung nicht erfüllen, werden kombinierte Materialien verwendet, um das beste Absorptions- / Emissionsverhältnis zu erzielen.
  • Rohre oder Leitungen: Die Rohre berühren (manchmal verschweißt) die Absorptionsplatte, damit der Energieaustausch so groß wie möglich ist. Für die Rohre zirkuliert die Flüssigkeit, die erwärmt wird und in den Speichertank gelangt.
  • Isolierschicht: Die Isolierschicht soll das System bedecken, um Verluste zu vermeiden und zu minimieren. Da die Isolierung bestmöglich ist, sollte das Isoliermaterial eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um die thermodynamische Wärmeübertragung nach außen zu verringern.
  • Akku: Der Akku ist ein optionales Element, manchmal ein integraler Bestandteil des Solarpanels, und in diesen Fällen ist er häufig unmittelbar über oder in unmittelbarer Nähe sichtbar. Sehr oft ist der Akku nicht Teil des Solarpanels, sondern des thermischen Systems.

Verwendung von Sonnenkollektoren

Solarkollektoren werden hauptsächlich zur Warmwasserversorgung, zur Wärmeversorgung oder zur Stromerzeugung eingesetzt.

Bei Sammlern für Brauchwarmwasser und Heizung speichert der Tank das Brauchwasser, das über eine Spule mit der Flüssigkeit in Kontakt kommt. Die Spule ermöglicht es dem Fluid, die gespeicherte Wärmeenergie an das Wasser zu übertragen, ohne das Wasser zu verunreinigen. Dieses Wasser kann als Warmwasser in Privathaushalten verwendet werden (80% Integration) oder als Ergänzung zur Fußbodenheizung der Räume (10% Integration). Thermische Solarmodule sind in der Lage, Warmwasser in ausreichenden Mengen zu liefern, können jedoch die üblichen Heizmethoden aufgrund fehlender Sonnenenergie nicht vollständig ersetzen.

Solarkollektoren zur Stromerzeugung erfordern, dass der Wärmetauscher bis zum Kochen erhitzt wird. Sobald die Flüssigkeit den thermodynamischen Phasenwechsel abgeschlossen hat und in die Gasphase übergegangen ist, wird sie einer thermoelektrischen Turbine zugeführt, die die Bewegung von Wasserdampf in elektrische Energie umwandelt. Diese Art von System wird als Solarthermodynamik bezeichnet und benötigt große Räume für die Installation von Sonnenkollektoren und eine konstante Sonneneinstrahlung. Beispiele für diese Anlagen wurden in den Wüsten installiert.

Anschluss von Solarthermiekollektoren

Bei der Definition und Installation einer solarthermischen Anlage ist zu berücksichtigen, dass eine Aufteilung der Solarkollektoren in Gruppen erfolgen sollte.

Diese Gruppen solarthermischer Kollektoren sollten immer aus Einheiten desselben Modells mit einer möglichst gleichmäßigen Verteilung bestehen.

Es gibt zwei grundlegende Optionen oder Typen, um zwei oder mehr Kollektoren zu gruppieren: seriell oder parallel. Darüber hinaus kann ein Pickup-Feld konfiguriert werden, indem die beiden Gruppierungen kombiniert werden. Dies wird als gemischte Gruppierungen oder Schaltungen bezeichnet.

Reihenschaltung von Sonnenkollektoren

In Reihenschaltung ist der Ausgang des ersten Sonnenkollektors direkt mit dem Eingang des nächsten verbunden, und so weiter. Die Temperatur des Eingangsfluids zu jedem Kollektor ist höher als die des vorhergehenden Kollektors, so dass wir am Ausgang einer Kollektorgruppe höhere Temperaturen erreichen können, als wenn wir mit dem thermischen Sprung eines einzelnen Kollektors gearbeitet hätten.

Diese Art der Verbindung hat den Nachteil, dass die Leistung der Sensoren mit zunehmender Arbeitstemperatur proportional abnimmt; Aus diesem Grund wird diese Art der Verbindung nur in ganz bestimmten Anwendungsfällen eingesetzt. Je nach Klimazone sind maximal 6 bis 10 m2 Solarthermiekollektoren in Reihe geschaltet.

In Bezug auf das hydraulische Verhalten dieser Konfiguration entspricht der Gesamtdurchfluss der Gruppe von Sonnenkollektoren dem Durchfluss eines einzelnen Kollektors, und im Gegensatz dazu entspricht der von der Gruppe verursachte Lastverlust der Summe des Verlusts von Belastung aller Sonnenkollektoren.

Parallelschaltung von Sonnenkollektoren

Bei der Verbindung von parallelen Sonnenkollektoren sind sowohl der Ausgang als auch der Eingang der Kollektoren mit gemeinsamen Eingangs- und Ausgangspunkten für den Rest der Kollektoren verbunden.

Bei dieser Konfiguration ist die Temperatur der Einlassflüssigkeit in allen Kollektoren gleich, und dies geschieht auch bei den Auslasstemperaturen, so dass wir am Ausgang der Batterie oder der Gruppe von Sensoren die Temperatur erhalten, als ob wir mit dem Sprung gearbeitet hätten Einzelkollektor thermisch.

Daher arbeiten alle Kollektoren am selben Punkt in der Leistungskurve. Diese Verbindung ist die häufigste bei Niedertemperatur-Solarthermieanlagen.

Hydraulisch ergibt diese Konfiguration einen Gesamtstrom der Gruppe, der der Summe der Teilströme jedes Kollektors entspricht, während der Lastverlust der Gruppe dem eines einzelnen solarthermischen Kollektors entspricht.

Mischschaltung von Sonnenkollektoren

In einigen Fällen führen das Volumen der Kollektoren und / oder der Bedarf an höheren Temperaturen zu Installationen, die die Anordnung in Reihe und parallel kombinieren. Wir bezeichnen diese Art der Verbindung von Solarmodulen als gemischt.

Ausgleich des Pickup-Feldes

Grundsätzlich gibt es zwei Methoden, um den Fluss der Wärmetransportflüssigkeit in einem Bereich von Solarthermiekollektoren auszugleichen:

  • Anpassung der Länge der Schaltkreise. Dies wird mit dem sogenannten invertierten Return erreicht. Das heißt, gleichen Sie die Länge der Verbindungsrohre aller Solarkollektoren aus, damit die Flüssigkeit den gleichen Druckabfall hat.
  • Einsetzen von Lastverlusten durch Vorsehen von Ausgleichsventilen am Einlass der Kollektorbatterien. Somit wird bei einer kürzeren Kreislauflänge mehr Druckverlust mit dem entsprechenden Ventil beaufschlagt.
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Geändert am: 7. November 2019