En solfanger er en enhed til opsamling af Solens termiske energi (solcelleanlæg), båret af synligt lys og nær infrarød stråling . I modsætning til solpaneler, der producerer elektricitet , opvarmer solfangeren det varmeoverførende materiale .
Anvendes normalt til behov for varmtvandsforsyning og rumopvarmning. [en]
En fladpladekollektor består af et element, der absorberer solstråling (absorber), en gennemsigtig belægning og et termisk isolerende lag. Absorberen er forbundet til varmeoverførselssystemet . Den er belagt med sort maling eller en speciel selektiv belægning (normalt sort nikkel- eller titaniumoxidforstøvning) for at øge effektiviteten. Det gennemsigtige element er normalt lavet af hærdet glas med et reduceret metalindhold eller speciel korrugeret polycarbonat . Bagsiden af panelet er dækket af et varmeisolerende materiale (såsom polyisocyanurat ). Rørene, gennem hvilke kølevæsken fordeles, er lavet af tværbundet polyethylen eller kobber. Selve panelet er lufttæt, hvortil hullerne i det lukkes med silikone fugemasse.
I mangel af varmeindtag (stagnation) er fladpladesamlere i stand til at varme vand op til 190-210 ° C .
Jo mere indfaldende energi, der overføres til kølevæsken, der strømmer i opsamleren, jo højere effektivitet. Det kan øges ved at bruge specielle optiske belægninger, der ikke udsender varme i det infrarøde spektrum.
Det er muligt at øge kølevæskens temperatur op til 250-300 °C i varmeudvindingsbegrænsningstilstanden. Dette kan opnås ved at reducere varmetabet som følge af brugen af en flerlags glasbelægning, tætning eller skabe et vakuum i solfangerne .
Faktisk har et solvarmerør en enhed, der ligner husholdnings termokander. Kun den yderste del af røret er gennemsigtigt, mens inderrøret har en yderst selektiv belægning, der fanger solenergi. Der er et vakuum mellem det ydre og det indre glasrør. Det er vakuumlaget, der gør det muligt at spare omkring 95 % af den opfangede termiske energi.
Derudover har varmerør fundet anvendelse i vakuumsolfangere , der fungerer som varmeleder. Når installationen bestråles med sollys, opvarmes væsken i den nederste del af røret og bliver til damp. Dampe stiger til toppen af røret (kondensator), hvor de kondenserer og overfører varme til solfangeren. Brug af dette kredsløb giver dig mulighed for at opnå større effektivitet (sammenlignet med fladpladesamlere), når du arbejder ved lave temperaturer og svagt lys.
Moderne husholdningssolfangere er i stand til at varme vand op til kogepunktet selv ved negative omgivende temperaturer.
Kølevæsken (vand, luft, olie eller frostvæske ) opvarmes ved at cirkulere gennem opsamleren og overfører derefter termisk energi til lagertanken, som akkumulerer varmt vand til forbrugeren.
I en simpel variant opstår vandcirkulationen naturligt på grund af temperaturforskellen i solfangeren. Denne løsning forbedrer effektiviteten af solcelleanlægget, da solfangerens effektivitet falder med stigende kølevæsketemperatur.
Der findes også solvarmeanlæg af lagertypen, hvor der ikke er en separat lagertank, og det opvarmede vand opbevares direkte i solfangeren. I dette tilfælde er installationen en tank tæt på en rektangulær form. [en]
| Vakuum rørformet | Flad meget selektiv |
|---|---|
| Fordele | Fordele |
| Lavt varmetab | Evne til at rydde sne og frost |
| Effektivitet i den kolde årstid op til -30C | Høj ydeevne om sommeren |
| Evne til at generere høje temperaturer | Fremragende pris/ydelsesforhold for sydlige breddegrader og varme klimaer |
| Langt arbejde i løbet af dagen | Kan monteres i alle vinkler |
| Nem installation | Lavere startomkostninger |
| Lav vindstyrke | |
| Fremragende pris/ydelsesforhold til tempererede breddegrader og kolde klimaer | |
| Fejl | Fejl |
| Manglende evne til selv at rydde sne | Højt varmetab |
| Relativt høje oprindelige projektomkostninger | Dårlig præstation i den kolde årstid |
| Arbejdshældningsvinkel ikke mindre end 20° | Kompleksiteten af installationen forbundet med behovet for at levere den samlede opsamler til taget |
| Høj vindstyrke |
En stigning i driftstemperaturen op til 120-250 °C er mulig ved at indføre koncentratorer i solfangere ved hjælp af parabolske trugreflektorer lagt under absorberende elementer. Solar sporingsenheder er nødvendige for at opnå højere driftstemperaturer.
Solfangere er enheder, der arbejder på solenergi og opvarmer luften. Solfangere bruges oftest til rumopvarmning, tørring af landbrugsprodukter. Luft passerer gennem absorberen på grund af naturlig konvektion eller under påvirkning af en ventilator.
I nogle solvarmere er blæsere fastgjort til absorberpladen for at forbedre varmeoverførslen. Ulempen ved dette design er, at det bruger energi til at betjene ventilatorerne, hvilket øger systemets driftsomkostninger. I kolde klimaer kanaliseres luften ind i mellemrummet mellem absorberpladen og solfangerens isolerede bagvæg: dermed undgås varmetab gennem ruden. Men hvis luften ikke opvarmes mere end 17°C over udelufttemperaturen, kan varmeoverførselsmediet cirkulere på begge sider af absorberpladen uden større effektivitetstab.
De vigtigste fordele ved luftsamlere er deres enkelhed og pålidelighed. Med ordentlig pleje kan en kvalitetssamler holde 10-30 år og er meget nem at administrere. En varmeveksler er ikke nødvendig, da luften ikke fryser.
Solfangere bruges til opvarmning af industri- og boliglokaler, til varmtvandsforsyning af produktionsprocesser og husholdningsbehov. Det største antal produktionsprocesser, der anvender varmt og varmt vand (30-90 °C), foregår i fødevare- og tekstilindustrien, som dermed har det højeste potentiale for anvendelse af solfangere.
I Europa i 2000 var det samlede areal af solfangere 14,89 millioner m² og på verdensplan - 71,341 millioner m².
Solfangere-koncentratorer kan producere elektricitet ved hjælp af fotovoltaiske celler eller en Stirling-motor .
Solfangere kan bruges i havvandsafsaltningsanlæg. Ifølge estimater fra det tyske luftrumscenter (DLR) vil prisen på afsaltet vand i 2030 falde til 40 eurocent pr. kubikmeter vand [2]
Ifølge JIHT RAS- forskning er den gennemsnitlige daglige mængde solstråling i den varme periode (fra marts-april til september) i det meste af Rusland 4,0-5,0 kWh/m² (i det sydlige Spanien - 5,5-6,0 kWh/ m², i det sydlige Tyskland - op til 5 kWh / m²). Dette gør det muligt at opvarme omkring 100 liter vand til husholdningsformål ved hjælp af en 2 m² solfanger med en sandsynlighed på op til 80 %, det vil sige næsten dagligt. Ifølge det gennemsnitlige årlige solstrålingsindtag er de førende Transbaikalia , Primorye og det sydlige Sibirien . De efterfølges af den sydlige del af den europæiske del (op til ca. 50º N) og en betydelig del af Sibirien.
Brugen af solfangere i Rusland er 0,2 m² / 1000 mennesker I Tyskland bruges 140 m² / 1000 mennesker, i Østrig 450 m² / 1000 mennesker, på Cypern omkring 800 m² / 1000 mennesker.
I sommerperioden er de fleste regioner i Rusland op til 65º N.S. er kendetegnet ved høje værdier af gennemsnitlig daglig stråling. Om vinteren falder mængden af indkommende solenergi flere gange afhængigt af installationens breddegradsplacering.
Til brug i al slags vejr skal enhederne have en stor overflade, to frostsikringskredsløb , ekstra varmevekslere. I dette tilfælde anvendes evakuerede solfangere eller fladpladekollektorer med en meget selektiv belægning, da temperaturforskellen mellem den opvarmede kølevæske og udeluften er større. Dette design er dog dyrere. [en]
Opførelsen af samlere udføres i øjeblikket hovedsageligt i Krasnodar-territoriet , Buryatia , Primorsky og Khabarovsk- territorierne. [3]
For første gang blev ideen om at skabe et solenergianlæg af industriel type fremsat af den sovjetiske ingeniør N.V. Linitsky i 1930'erne . Samtidig foreslog han en ordning om en solcellestation med en central modtager på tårnet. I den bestod systemet til at fange solens stråler af et felt af heliostater - flade reflektorer styret i to koordinater. Hver heliostat reflekterer solens stråler på overfladen af den centrale modtager, som er hævet over heliostaternes felt for at eliminere påvirkningen af gensidig skygge. Med hensyn til dens dimensioner og parametre ligner modtageren en konventionel dampkedel.
Økonomiske evalueringer har vist, at det er muligt at anvende store 100 MW turbinegeneratorer på sådanne stationer. For dem er typiske parametre en temperatur på 500 °C og et tryk på 15 MPa. Under hensyntagen til tab, for at sikre sådanne parametre, krævedes en koncentration på omkring 1000. En sådan koncentration blev opnået ved at kontrollere heliostater i to koordinater. Stationerne skulle have varmeakkumulatorer for at sikre driften af varmemotoren i mangel af solstråling.
Siden 1982 er der bygget flere tårn-type anlæg i USA med en kapacitet på 10 til 100 MW. En detaljeret økonomisk analyse af systemer af denne type viste, at under hensyntagen til alle byggeomkostningerne koster 1 kW installeret kapacitet cirka 1150 $ . En kWh elektricitet koster omkring 0,15 $.
Parabol-cylindriske koncentratorer har form som en parabel , strakt langs en lige linje.
I 1913 byggede Frank Schumann en pumpestation i Egypten af parabolske trugkoncentratorer. Stationen bestod af fem knudepunkter hver 62 meter lang. Reflekterende overflader blev lavet af almindelige spejle. Stationen producerede damp, hvormed den pumpede omkring 22.500 liter vand i minuttet [4] .
En parabolsk-cylindrisk spejlkoncentrator fokuserer solstråling i en linje og kan give dens hundredefoldige koncentration. Et rør med en kølevæske (olie) eller en fotovoltaisk celle er placeret i parablens fokus . Olien opvarmes i et rør til en temperatur på 300-390 °C. I august 2010 testede NREL SkyFuels installation. Under testene blev den termiske effektivitet af parabolske trugkoncentratorer vist at være 73 % ved en kølevæskeopvarmningstemperatur på 350 °C [5] .
Parabolske cylindriske spejle er lavet op til 50 meter lange. Spejle er orienteret langs nord-syd-aksen og arrangeret i rækker med få meters mellemrum. Kølevæsken kommer ind i varmeakkumulatoren for yderligere generering af elektricitet ved hjælp af en dampturbinegenerator .
Fra 1984 til 1991 blev ni kraftværker bygget af parabolske trugkoncentratorer i Californien med en samlet kapacitet på 354 MW. Omkostningerne til elektricitet var omkring $ 0,12 pr. kWh.
Det tyske firma Solar Millennium AG bygger et solcelleanlæg i Indre Mongoliet ( Kina ) . Kraftværkets samlede kapacitet vil øges til 1.000 MW i 2020 . Kapaciteten på første etape bliver 50 MW.
I juni 2006 blev det første termiske solenergianlæg med en kapacitet på 50 MW bygget i Spanien . I Spanien kan der inden 2010 bygges 500 MW kraftværker med parabolske trugkoncentratorer.
Verdensbanken finansierer opførelsen af lignende kraftværker i Mexico , Marokko , Algeriet , Egypten og Iran .
Koncentrationen af solstråling gør det muligt at reducere størrelsen af den fotovoltaiske celle . Men på samme tid falder dens effektivitet, og der kræves en form for kølesystem.
Parabolkoncentratorer er formet som en revolutionsparaboloid. Den parabolske reflektor styres i to koordinater, når den følger solen. Solens energi er fokuseret på et lille område. Spejle reflekterer omkring 92 % af den solstråling, der falder på dem. I reflektorens fokus er en Stirling-motor eller fotovoltaiske celler monteret på et beslag . Stirling-motoren er placeret på en sådan måde, at varmeområdet er i fokus for reflektoren. Arbejdsvæsken i en Stirling-motor er normalt brint eller helium .
I februar 2008 opnåede Sandia National Laboratory en effektivitet på 31,25 % i et setup bestående af en parabolsk koncentrator og en Stirling-motor [6] .
Anlæg med parabolske koncentratorer med en kapacitet på 9-25 kW er i øjeblikket under opførelse. Huslige installationer med en kapacitet på 3 kW er under udvikling. Effektiviteten af sådanne systemer er omkring 22-24%, hvilket er højere end for solceller. Samlere er lavet af almindelige materialer: stål , kobber , aluminium osv. uden brug af "solar-grade" silicium . I metallurgien anvendes det såkaldte "metallurgiske silicium" med en renhed på 98 %. Til produktion af solcelleceller anvendes silicium af "solrenhed" eller "solar gradation" med en renhed på 99,9999% [7] .
I 2001 var prisen på elektricitet produceret i solfangere $0,09-0,12 per kWh . Det amerikanske energiministerium forudsiger, at omkostningerne ved elektricitet produceret af solenergikoncentratorer vil falde til $0,04-0,05 i 2015-2020 .
Stirling Solar Energy udvikler solfangere i store størrelser - op til 150 kW med Stirling-motorer . Virksomheden bygger verdens største solenergianlæg i det sydlige Californien . I 2010 vil der være 20.000 parabolsamlere med en diameter på 11 meter. Kraftværkets samlede kapacitet kan øges op til 850 MW.
Fresnel-linser bruges til at koncentrere solstråling på overfladen af en fotovoltaisk celle eller på et varmeoverføringsrør. Der anvendes både ringformede og taljelinser. På engelsk bruges betegnelsen LFR - linear Fresnel reflector.
I 2010 var 1.170 MW solvarmekraftværker i drift på verdensplan. Af disse har Spanien 582 MW og USA 507 MW. Det er planlagt at bygge 17,54 GW solvarmekraftværker. Heraf i USA 8670 MW, i Spanien 4460 MW, i Kina 2500 MW [8] . I 2011 var der 23 producenter og leverandører af flade samlere fra 12 lande; 88 producenter og leverandører af vakuummanifolder fra 21 lande. [9]