Solare Vakuumröhrenkollektoren für Warmwasser

Der Vakuumröhrenkollektor (ETC) besteht aus einer Reihe von versiegelten Glasröhren, die innen einen wärmeleitenden Kupferstab oder ein wärmeleitendes Kupferrohr haben, was im Vergleich zu den Flachkollektoren selbst an einem eiskalten Tag eine viel höhere thermische Effizienz und Arbeitstemperatur ermöglicht. p>

Im vorherigen Tutorial haben wir uns Solar-Flachkollektoren angesehen und festgestellt, dass sie aus einer geschwärzten Metallabsorberplatte und Wasserrohren bestehen, die in einer versiegelten, verglasten und isolierten Metall- (oder Holz-) Kiste eingeschlossen sind. Steigleitungen, die an die Absorberplatte gelötet sind, transportieren Flüssigkeit, die von der Sonne erhitzt wird, und in einem direkten Heizsystem wird Wasser erhitzt, während es durch die Platten zum Speichertank zirkuliert. Bei indirekten Systemen erwärmt die Sonnenenergie ein Glykol-Wasser-Gemisch, das nicht gefrieren kann und das wiederum das Wasser im Tank erwärmt.

Während diese Art von Solarwarmwassersystemen billig und einfach zu installieren ist, besteht das Problem bei Flachkollektoren darin, dass sie „flach“ sind. Dies führt zu einer Einschränkung ihrer Effizienz, da sie nur dann mit maximaler Effizienz arbeiten können, wenn die Sonne mittags direkt über ihnen steht. Zu anderen Zeiten treffen die Sonnenstrahlen in unterschiedlichen Winkeln auf den Kollektor und werden vom Verglasungsmaterial reflektiert, wodurch ihre Effizienz verringert wird.

Solare Warmwassersysteme, die Vakuumröhrenkollektorenals Wärmequelle überwinden dieses Problem, da der Solarkollektor einzelne abgerundete Röhren verwendet, die den größten Teil des Tages immer senkrecht zu den Sonnenstrahlen stehen. Dadurch kann ein Solar-Warmwassersystem, das einen Vakuumröhrenkollektor verwendet, über einen viel längeren Zeitraum mit einem viel höheren Wirkungsgrad und einer viel höheren Temperatur betrieben werden als ein herkömmliches System mit einem einzelnen Flachkollektor.

Auch ein weiterer Vorteil von Solar-Evakuierung Röhrentechnologie ist, dass die Gewichts- und Dachstrukturprobleme, die durch Standard-Flachplattensysteme verursacht werden, eliminiert werden, da die Solarröhren nicht mit großen Mengen an schwerem Wasser gefüllt werden.

Evakuierter Röhrenkollektor

Ein Vakuumröhrenkollektor

Der Vakuumröhrenkollektor besteht aus mehreren Reihen paralleler transparenter Glasröhren, die mit einem Sammelrohr verbunden sind und die anstelle der geschwärzten Wärmeabsorptionsplatte verwendet werden, die wir im vorherigen Flachkollektor gesehen haben.

Diese Glasröhren haben eine zylindrische Form. Daher ist der Winkel des Sonnenlichts immer senkrecht zu den wärmeabsorbierenden Rohren, wodurch diese Kollektoren auch bei geringer Sonneneinstrahlung wie früh morgens oder spät nachmittags oder im Schatten von Wolken eine gute Leistung erbringen. Vakuumröhrenkollektoren sind besonders nützlich in Gebieten mit kaltem, wolkigem Winterwetter.

Wie funktionieren also Solar-Vakuumröhrenkollektoren?. Vakuumröhrenkollektoren bestehen aus einer oder mehreren Reihen paralleler, transparenter Glasröhren, die auf einem Rahmen gelagert sind. Jedes einzelne Rohr variiert im Durchmesser zwischen 1" (25 mm) bis 3 # 034; (75mm) und zwischen 5′ (1500mm) bis 8′ (2400mm) Länge je nach Hersteller.

Jedes Röhrchen besteht aus einem dicken äußeren Glasröhrchen und einem dünneren inneren Glasröhrchen (genannt „Doppelglasröhrchen“) oder einem „Thermoskannenröhrchen“. die mit einer speziellen Beschichtung bedeckt ist, die Sonnenenergie absorbiert, aber den Wärmeverlust hemmt. Die Röhren bestehen aus Borosilikat- oder Kalknatronglas, das stark und hochtemperaturbeständig ist und eine hohe Durchlässigkeit für Sonneneinstrahlung aufweist.

Im Gegensatz zu Flachkollektoren erwärmen Vakuumröhrenkollektoren das Wasser nicht direkt im Inneren die Rohre. Stattdessen wird Luft aus dem Raum zwischen den beiden Röhren entfernt oder evakuiert, wodurch ein Vakuum entsteht (daher der Name evakuierte Röhren).

Dieses Vakuum wirkt als Isolator und reduziert den Wärmeverlust an die umgebende Atmosphäre entweder durch Konvektion oder Strahlung erheblich und macht den Kollektor viel effizienter als die interne Isolierung, die Flachkollektoren bieten müssen. Mit Hilfe dieses Vakuums erzeugen Vakuumröhrenkollektoren im Allgemeinen höhere Flüssigkeitstemperaturen als ihre Flachkollektoren und können daher im Sommer sehr heiß werden.

Vakuumröhrenkollektor

Im Inneren jeder Glasröhre ist eine flache oder gebogene Aluminium- oder Kupferlamelle an einem Metallwärmerohr befestigt, das durch die innere Röhre verläuft. Die Rippe ist mit einer selektiven Beschichtung bedeckt, die Wärme auf die Flüssigkeit überträgt, die durch das Rohr zirkuliert. Dieses versiegelte Kupfer-Heatpipe überträgt die Sonnenwärme durch Konvektion seiner internen Wärmeübertragungsflüssigkeit auf eine “heiße Glühbirne”. der indirekt einen Kupferverteiler im Ausgleichsbehälter erhitzt.

Diese Kupferrohre sind alle mit einem gemeinsamen Verteiler verbunden, der dann mit einem Speicher verbunden ist, wodurch das Warmwasser tagsüber erwärmt wird. Durch die Isoliereigenschaften des Speichers kann das Warmwasser dann nachts oder am nächsten Tag genutzt werden.

Die Isolationseigenschaften des Vakuums sind so gut, dass das Innenrohr zwar bis zu 150 °C heiß sein kann, das Außenrohr jedoch kühler zum Anfassen ist. Dies bedeutet, dass Vakuumröhren-Warmwasserbereiter eine gute Leistung erbringen und Wasser sogar bei kaltem Wetter auf ziemlich hohe Temperaturen erwärmen können, wenn Flachkollektoren aufgrund von Wärmeverlusten schlecht funktionieren.

Der Nachteil der Verwendung von Vakuumröhren ist jedoch, dass Das Panel kann im Vergleich zu Standard-Flachkollektoren oder Solar-Batch-Kollektoren viel teurer sein. Vakuumröhren-Solarkollektoren eignen sich gut für gewerbliche und industrielle Warmwasserbereitungsanwendungen und können eine effektive Alternative zu Flachkollektoren für die Raumheizung in Wohngebäuden sein, insbesondere in Gebieten, in denen es oft bewölkt ist.

Vakuumröhrenkollektoren sind im Vergleich zu Standard-Flachkollektoren insgesamt moderner und effizienter, da sie an feuchten, trüben Tagen die Wärme aus der Luft entziehen können und für den Betrieb keine direkte Sonneneinstrahlung benötigen. Durch das Vakuum im Inneren der Glasröhre ist der Gesamtwirkungsgrad in allen Bereichen höher und es wird eine bessere Leistung auch bei nicht optimalem Sonnenstand erzielt.

Für diese Arten von Solar-Warmwasserkollektoren ist die Konfiguration der Vakuumröhre das, was wirklich wichtig ist. Es gibt ein paar verschiedene Vakuumröhrenkonfigurationen, einwandige Röhre, doppelwandige Röhre, direkte Strömung oder Wärmerohre, und diese Unterschiede können bestimmen, wie die Flüssigkeit um das Solar-Warmwasserpaneel zirkuliert.

Wärmerohr-Vakuumröhrenkollektoren

Bei Wärmerohr-Vakuumröhrenkollektoren ist ein versiegeltes Wärmerohr, das normalerweise aus Kupfer besteht, um die Effizienz des Kollektors bei kalten Temperaturen zu erhöhen, an einer wärmeabsorbierenden Reflektorplatte innerhalb der vakuumversiegelten Röhre befestigt. Der hohle Kupferwärmetauscher innerhalb des Rohrs ist luftleer, enthält jedoch eine kleine Menge einer Niederdruck-Alkohol/Wasser-Flüssigkeit sowie einige zusätzliche Additive, um Korrosion oder Oxidation zu verhindern.

Dieses Vakuum ermöglicht es der Flüssigkeit, bei sehr niedrigeren Temperaturen zu verdampfen, als dies normalerweise bei atmosphärischem Druck der Fall wäre. Wenn Sonnenlicht in Form von Sonnenstrahlung auf die Oberfläche der Absorberplatte im Inneren der Röhre trifft, verwandelt sich die Flüssigkeit im Wärmerohr aufgrund des Vakuums schnell in ein heißes dampfartiges Gas. Da dieser Gasdampf jetzt leichter ist, steigt er zum oberen Teil des Rohrs auf und erwärmt ihn auf eine sehr hohe Temperatur.

Der obere Teil des Wärmerohrs und damit das evakuierte Rohr ist mit einem Kupferwärmetauscher verbunden, der als „Verteiler“ bezeichnet wird. Wenn die heißen Dämpfe, die sich noch innerhalb des abgedichteten Wärmerohrs befinden, in den Verteiler eintreten, wird die Wärmeenergie des Dampfs auf das Wasser oder die Glykolflüssigkeit übertragen, die durch den verbindenden Verteiler strömt. Wenn der heiße Dampf Energie verliert und abkühlt, kondensiert er zurück von einem Gas zu einer Flüssigkeit, die durch das Wärmerohr zurückfließt, um erneut erhitzt zu werden.

Das Wärmerohr und damit die Vakuumröhrenkollektoren müssen so montiert werden, dass sie einen minimalen Neigungswinkel (ca. 30o) aufweisen, damit die innere Flüssigkeit des Wärmerohres wieder nach unten zur heißen Absorberplatte an der Unterseite zurückkehren kann das Rohr. Dieser Prozess der Umwandlung einer Flüssigkeit in ein Gas und wieder zurück in eine Flüssigkeit setzt sich innerhalb des versiegelten Heatpipes fort, solange die Sonne scheint.

Der Hauptvorteil von Heatpipe-Vakuumröhrenkollektorenist, dass es einen “trockenen” Verbindung zwischen der Absorberplatte und dem Verteiler, wodurch die Installation viel einfacher ist als bei direkt durchströmten Kollektoren. Auch wenn ein Vakuumschlauch reißt oder bricht und das Vakuum verloren geht, kann der einzelne Schlauch ausgetauscht werden, ohne das gesamte System zu entleeren oder zu demontieren. Diese Flexibilität macht Heatpipe-Vakuumröhren-Solarkollektoren ideal für Solaranlagen mit geschlossenem Kreislauf, da die modulare Anordnung eine einfache Installation und die Möglichkeit einer einfachen Erweiterung durch Hinzufügen beliebig vieler Röhren ermöglicht.

Vakuumröhrensammler mit Direktdurchfluss

Direkt durchströmte Vakuumröhrenkollektoren, auch bekannt als “U” Röhrenkollektoren unterscheiden sich von den vorherigen dadurch, dass sie zwei Wärmerohre haben, die durch die Mitte der Röhre verlaufen. Ein Rohr dient als Vorlauf, das andere als Rücklauf. Beide Rohre sind am unteren Ende des Rohres mit einem “U-Bogen” miteinander verbunden, daher der Name.

Die wärmeabsorbierende Reflexionsplatte wirkt wie ein Trennstreifen, der die Vor- und Rücklaufleitungen durch die Solarkollektorröhren trennt. Die Absorberplatte und das Wärmeübertragungsrohr sind ebenfalls in einem Glasrohr vakuumversiegelt, was außergewöhnliche Isoliereigenschaften bietet. loading=”lazy” width=”329″ height=”245″ title=”Direct-Flow-Collector” alt=”Direct-Flow-Collector” />

Die hohlen Wärmerohre und die flache oder gebogene Reflektorplatte bestehen aus Kupfer mit einer selektiven Beschichtung, um den Gesamtwirkungsgrad des Kollektors zu erhöhen. Diese spezielle Konfiguration mit evakuierten Röhren ähnelt im Betrieb den Flachkollektoren, mit Ausnahme des Vakuums, das durch die äußere Röhre bereitgestellt wird.

Da die Wärmeübertragungsflüssigkeit in jede Röhre hinein- und aus ihr herausfließt, wird ein direkter Fluss evakuiert Röhrenkollektoren sind nicht so flexibel wie die Heatpipe-Typen. Wenn ein Rohr reißt oder bricht, kann es nicht einfach ersetzt werden. Das System muss entleert werden, da es ein &8220;nasses&8221; Verbindung zwischen Rohr und Verteiler.

Viele Fachleute in der Solarindustrie glauben, dass Konstruktionen mit direkt durchströmten evakuierten Rohren energieeffizienter sind als Konstruktionen mit Wärmerohren, da bei direkter Strömung kein Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeiten stattfindet. Außerdem sind bei einer Vollglas-Konstruktion mit direktem Durchfluss die beiden Wärmerohre ineinander angeordnet, sodass die zu erhitzende Flüssigkeit durch die Mitte des inneren Rohrs nach unten und dann durch das äußere Absorberrohr nach oben strömt.

Direkt durchströmte evakuierte Röhren können sowohl direkte als auch diffuse Strahlung sammeln und erfordern keine Sonnennachführung. Allerdings werden manchmal verschiedene Parabolrinnen-Reflektorformen verwendet, die hinter den Röhren platziert werden, um einen Teil der Sonnenenergie zu sammeln, die andernfalls verloren gehen könnte, und so eine kleine Menge an Sonnenkonzentration bereitzustellen.

Weitere Überlegungen bei der Verwendung von Evacuated Röhrenkollektoren

Aufgrund des geschlossenen Vakuums in ihrer Konstruktion können Vakuumröhrenkollektoren sehr heiß werden und in den heißen Sommermonaten den Siedepunkt von Wasser überschreiten. Diese hohen Temperaturen können in einem bestehenden Solarwarmwassersystem für Haushalte erhebliche Probleme verursachen, wie Überhitzung und Risse in den evakuierten Glasröhren.

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Um dies in heißen Sommern zu verhindern, Bypass-Ventile und große Hitze Austauscher werden zum “Ablassen” die überschüssige Wärme sowie Mischventile, die normales (kaltes) Wasser mit dem heißen Wasser mischen, um sicherzustellen, dass die Temperatur- und Druckniveaus niemals einen voreingestellten Grenzwert überschreiten.

Außerdem sollten Heatpipe-Kollektoren niemals direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt werden, ohne dass eine Wärmeträgerflüssigkeit durch den Wärmetauscher fließt. Dadurch wird der leere Wärmetauscher extrem heiß und kann aufgrund des plötzlichen Stoßes reißen, sobald kaltes Wasser durch ihn zu fließen beginnt.

Obwohl Vakuumröhrenkollektoren Wasser im Winter auf +50 Grad Celsius erwärmen können, erwärmt sich die äußere Glasröhre einer Vakuumröhre im Betrieb nicht wie bei normalen Flachkollektoren. Dies liegt an den inhärenten Isolationseigenschaften des Vakuums im Inneren der Röhre, das verhindert, dass die äußere Wärmeröhre durch die Außentemperatur, die weit unter dem Gefrierpunkt liegen kann, gekühlt wird.

Somit in den kälteren Wintermonaten diese Kollektortypen können die große Schneemenge, die auf einmal auf sie fällt, nicht wegschmelzen, was bedeutet, dass das tägliche Entfernen von Schnee und Eis von den Glasröhren ein Problem sein kann, ohne sie zu beschädigen.

Selbst wenn es sehr schneit oder sehr kalt ist, wird genug Sonnenlicht durchkommen, um die Röhren weit über dem Gefrierpunkt zu halten und trotzdem das Wasser vorwärmen zu können, das dann mit einem handelsüblichen elektrischen Tauchsieder oder Gasbrenner weiter erhitzt werden kann, wodurch die Heizkosten gesenkt werden das Wasser im Winter.

Vakuumröhrenkollektoren sind eine sehr effiziente Möglichkeit, einen Großteil Ihres Warmwasserverbrauchs nur mit der Kraft der Sonne zu erwärmen. Sie können sehr hohe Temperaturen erreichen, sind aber zerbrechlicher als andere Arten von Sonnenkollektoren und viel teurer in der Installation. Sie können entweder in einem aktiven Solarwarmwassersystem mit offenem Kreislauf (ohne Wärmetauscher) oder einem aktiven geschlossenen Kreislauf (mit Wärmetauscher) verwendet werden, aber es ist eine Pumpe erforderlich, um die Wärmeübertragungsflüssigkeit vom Kollektor zum Speicher zu zirkulieren, um sie zu stoppen es vor Überhitzung.

In unserem nächsten Tutorial über Solarheizung werden wir uns eine andere Möglichkeit zum Erhitzen von Wasser ansehen, indem wir eine Art Sammelkollektor verwenden, der allgemein als ein bekannt ist Integral Collector Storage System oder ICS, und sehen Sie, wie sie zur Erzeugung und Speicherung von solarem Warmwasser verwendet werden können.