Solarkollektoren: Typen, Funktionsprinzip, Systemaufbau

Wärmepumpen ziehen sie energie aus boden, wasser oder luft, die von der sonne erwärmt werden. Kessel nutzen die bei der Verbrennung von Brennstoff freiwerdende Wärme, die letztendlich auch das Ergebnis der Umwandlung von Sonnenenergie während der langen Entwicklung der Erde ist. Solarkollektoren sind in gewisser Hinsicht einzigartig: Sie beziehen Energie direkt von der Sonne.

Um morgen die Möglichkeit zu haben, Warmwasser kostenlos zu erwärmen oder Ihr Haus zu heizen, müssen Sie heute noch Geld für den Kauf von Sonnenkollektoren ausgeben. Angesichts der erheblichen Kosten solcher Geräte ist es sehr wichtig, bei der Auswahl keine Fehler zu machen. Sie sollten sich also zumindest einen Überblick über die Besonderheiten von Sonnenkollektoren und die Nuancen ihrer Arbeit verschaffen.

Die Besonderheiten der Verwendung von Sonnenkollektoren

Das Hauptmerkmal von Sonnenkollektoren, das sie von anderen Arten von Wärmeerzeugern unterscheidet, ist der zyklische Charakter ihrer Arbeit. Keine Sonne - keine Wärmeenergie. Infolgedessen sind solche Installationen nachts passiv.

Die durchschnittliche tägliche Wärmeproduktion hängt direkt von der Länge der Tageslichtstunden ab. Letzteres wird zum einen durch die geografische Breite des Gebiets und zum anderen durch die Jahreszeit bestimmt. Im Sommer, in dem der Sonnenstand auf der Nordhalbkugel am höchsten ist, arbeitet der Kollektor mit maximaler Effizienz. Im Winter sinkt die Produktivität und erreicht von Dezember bis Januar ein Minimum.

Im Winter verringert sich der Wirkungsgrad von Sonnenkollektoren nicht nur aufgrund einer Verringerung der Tageslichtstunden, sondern auch aufgrund einer Änderung des Einfallswinkels des Sonnenlichts. Leistungsschwankungen des Solarkollektors im Laufe des Jahres sollten bei der Berechnung seines Beitrags zum Wärmeversorgungssystem berücksichtigt werden.

Ein weiterer Faktor, der die Produktivität des Sonnenkollektors beeinträchtigen kann, sind die klimatischen Eigenschaften der Region. In unserem Land gibt es viele Orte, an denen sich die Sonne mehr als 200 Tage im Jahr hinter einer dicken Wolkenschicht oder hinter einem Nebelschleier verbirgt. Bei bewölktem Wetter sinkt die Leistung des Sonnenkollektors nicht auf Null, da er das gestreute Sonnenlicht einfängt, sondern deutlich reduziert.

Das Funktionsprinzip und Arten von Sonnenkollektoren

Es ist Zeit, ein paar Worte über das Gerät und die Funktionsweise des Solarkollektors zu sagen. Das Hauptelement seiner Konstruktion ist ein Adsorber, bei dem es sich um eine Kupferplatte mit einem daran angeschweißten Rohr handelt. Die Platte (und damit das Rohr) absorbiert die Wärme des Sonnenlichts, das darauf fällt und erwärmt sich schnell. Diese Wärme wird auf das flüssige Kühlmittel übertragen, das durch das Rohr zirkuliert und dieses wiederum weiter durch das System transportiert.

Die Fähigkeit des physischen Körpers, die Sonnenstrahlen zu absorbieren oder zu reflektieren, hängt in erster Linie von der Beschaffenheit seiner Oberfläche ab. Beispielsweise reflektiert eine Spiegelfläche Licht und Wärme perfekt, während Schwarz im Gegenteil absorbiert. Aus diesem Grund wird die Kupferplatte des Adsorbers schwarz beschichtet (die einfachste Option ist schwarze Farbe).

Das Funktionsprinzip des Sonnenkollektors

Sie können die von der Sonne abgegebene Wärmemenge erhöhen, indem Sie das den Adsorber bedeckende Glas richtig auswählen. Normales Glas ist nicht transparent genug.Außerdem blendet es und reflektiert einen Teil des Sonnenlichts, das darauf fällt. In Solarkollektoren wird in der Regel versucht, Spezialglas mit geringem Eisengehalt zu verwenden, wodurch die Transparenz erhöht wird. Um den von der Oberfläche reflektierten Lichtanteil zu verringern, wird das Glas mit einer Antireflexbeschichtung versehen. Und damit Staub und Feuchtigkeit, die auch den Durchsatz des Glases verringern, nicht in den Kollektor gelangen, ist das Gehäuse verschlossen und manchmal sogar mit einem Inertgas gefüllt.

Trotz all dieser Tricks liegt der Wirkungsgrad von Solarkollektoren aufgrund der unvollkommenen Konstruktion bei weitem noch nicht bei 100%. Die beheizte Adsorberplatte gibt einen Teil der aufgenommenen Wärme an die Umgebung ab und erwärmt die damit in Kontakt stehende Luft. Um den Wärmeverlust zu minimieren, muss der Adsorber isoliert werden. Die Suche nach einer wirksamen Methode zur Wärmedämmung des Adsorbers hat die Ingenieure veranlasst, verschiedene Arten von Solarkollektoren zu entwickeln, von denen die gängigsten Flach- und Röhrenvakuumkollektoren sind.

Flache Sonnenkollektoren

Flache Sonnenkollektoren.

Der Aufbau eines flachen Sonnenkollektors ist denkbar einfach: Es handelt sich um eine Metallbox, die von oben mit Glas bedeckt ist. Zur Wärmedämmung von Boden und Wänden des Körpers wird in der Regel Mineralwolle verwendet. Diese Option ist bei weitem nicht ideal, da eine Wärmeübertragung vom Adsorber auf das Glas durch die Luft innerhalb des Kanals nicht ausgeschlossen ist. Bei einem großen Temperaturunterschied innerhalb und außerhalb des Kollektors ist der Wärmeverlust sehr bedeutend. Infolgedessen wird ein flacher Sonnenkollektor, der im Frühjahr und Sommer einwandfrei funktioniert, im Winter äußerst ineffizient.

Flache Sonnenkollektorvorrichtung

Röhrenvakuumsolarkollektoren

Röhrenförmige Vakuum-Sonnenkollektoren.

Der Vakuumsolarkollektor ist eine Platte, die aus einer großen Anzahl relativ dünner Glasröhren besteht. In jedem von ihnen befindet sich ein Adsorber. Um eine Wärmeübertragung durch Gas (Luft) auszuschließen, werden die Rohre evakuiert. Vakuumkollektoren zeichnen sich aufgrund des fehlenden Gases in der Nähe der Adsorber durch einen geringen Wärmeverlust auch bei frostigem Wetter aus.

Vakuumverteilergerät

Anwendungen für Sonnenkollektoren

Der Hauptzweck von Solarkollektoren und anderen Wärmeerzeugern besteht darin, Gebäude zu heizen und Wasser für ein Warmwasserversorgungssystem vorzubereiten. Es bleibt abzuwarten, welcher Solarkollektortyp für eine bestimmte Funktion am besten geeignet ist.

Flache Sonnenkollektoren zeichnen sich, wie wir festgestellt haben, durch eine gute Leistung im Frühjahr und Sommer aus, sind jedoch im Winter unwirksam. Daraus folgt, dass es nicht praktikabel ist, sie zum Heizen zu verwenden, dessen Bedarf gerade bei einsetzender Kälte entsteht. Dies bedeutet jedoch nicht, dass für dieses Gerät überhaupt nichts zu tun ist.

Flachkollektoren haben einen unbestreitbaren Vorteil: Sie sind deutlich günstiger als Vakuummodelle. Wenn also geplant ist, die Solarenergie ausschließlich im Sommer zu nutzen, ist es sinnvoll, sie zu kaufen. Flache Sonnenkollektoren meistern perfekt die Aufgabe, im Sommer Wasser für Warmwasser aufzubereiten. Noch häufiger werden sie verwendet, um in Außenpools eine angenehme Wassertemperatur zu erreichen.

Vakuumröhrenverteiler sind vielseitiger einsetzbar. Mit dem Aufkommen der Winterkälte sinkt ihre Leistung nicht mehr so ​​stark wie bei den flachen Modellen, so dass sie das ganze Jahr über verwendet werden können.Dadurch ist es möglich, solche Sonnenkollektoren nicht nur zur Warmwasserversorgung, sondern auch in der Heizungsanlage einzusetzen.

Vergleich von Flach- und Vakuumsolarkollektoren.

Standort der Sonnenkollektoren

Der Wirkungsgrad des Sonnenkollektors hängt direkt von der Sonneneinstrahlung ab, die auf den Adsorber fällt. Daraus folgt, dass der Kollektor an einem offenen Ort aufgestellt werden sollte, an dem niemals (oder zumindest so lange wie möglich) Schatten von Nachbargebäuden, Bäumen in der Nähe von Bergen usw. liegt.

Von großer Bedeutung ist nicht nur der Standort des Sammlers, sondern auch seine Ausrichtung. Die "sonnigste" Seite unserer nördlichen Hemisphäre ist die südliche Seite, was bedeutet, dass die "Spiegel" des Sammlers idealerweise genau nach Süden gedreht werden sollten. Wenn dies technisch nicht möglich ist, sollten Sie die Richtung so nah wie möglich am Süden - Südwesten oder Südosten wählen.

Ein solcher Parameter wie der Neigungswinkel des Sonnenkollektors sollte nicht ignoriert werden. Die Größe des Winkels hängt von der Abweichung des Sonnenstandes vom Zenit ab, die wiederum von der geografischen Breite des Gebiets bestimmt wird, in dem die Ausrüstung betrieben wird. Wenn der Neigungswinkel nicht richtig eingestellt ist, steigt der optische Energieverlust erheblich an, da ein erheblicher Teil des Sonnenlichts vom Kollektorglas reflektiert wird und daher den Absorber nicht erreicht.

So wählen Sie den richtigen Sonnenkollektor

Wenn Sie möchten, dass das Heizsystem Ihres Hauses die Aufgabe bewältigt, eine angenehme Temperatur in den Räumlichkeiten aufrechtzuerhalten und nicht warmes, sondern heißes Wasser aus den Wasserhähnen zu fließen, und gleichzeitig einen Sonnenkollektor als Wärmeerzeuger verwenden möchten, müssen Sie die erforderliche Leistung der Geräte im Voraus berechnen. In diesem Fall muss eine große Anzahl von Parametern berücksichtigt werden, darunter der Zweck des Kollektors (Warmwasserversorgung, Heizung oder eine Kombination aus beiden), der Wärmebedarf des Objekts (Gesamtfläche der beheizten Räume oder durchschnittlicher täglicher Warmwasserverbrauch), klimatische Merkmale der Region und Merkmale der Kollektoranlage.

Im Prinzip ist es nicht so schwierig, solche Berechnungen durchzuführen. Die Leistung jedes Modells ist bekannt, was bedeutet, dass Sie leicht die Anzahl der Kollektoren abschätzen können, die für die Wärmeversorgung des Hauses erforderlich sind. Unternehmen, die Solarkollektoren herstellen, verfügen über Informationen (und können diese dem Verbraucher zur Verfügung stellen) über die Änderung der Leistung der Geräte in Abhängigkeit von der geografischen Breite des Gebiets, dem Neigungswinkel der „Spiegel“, der Abweichung ihrer Ausrichtung vom Süden usw., sodass Sie die erforderlichen Änderungen vornehmen können bei der Berechnung der Reservoirleistung.

Bei der Auswahl der erforderlichen Kollektorleistung ist es sehr wichtig, ein Gleichgewicht zwischen Mangel und Wärmeüberschuss zu erreichen. Experten empfehlen, sich auf die maximal mögliche Kollektorleistung zu konzentrieren, d. H. Den Indikator für die produktivste Sommersaison in den Berechnungen zu verwenden. Dies widerspricht dem Wunsch des Durchschnittsbenutzers, Geräte mit einem Spielraum zu verwenden (d. H. Die Leistung des kältesten Monats zu berechnen), damit die Wärme des Kollektors an weniger sonnigen Herbst- und Wintertagen ausreicht.

Wenn Sie sich jedoch für einen Solarkollektor mit erhöhter Leistung entscheiden, werden Sie auf dem Höhepunkt seiner Leistung, d. H. Bei warmem, sonnigem Wetter, auf ein ernstes Problem stoßen: Es wird mehr Wärme erzeugt als verbraucht, und dies droht eine Überhitzung des Stromkreises und andere unangenehme Folgen . Es gibt zwei Möglichkeiten, um dieses Problem zu lösen: entweder einen Solarkollektor mit geringem Stromverbrauch installieren und redundante Wärmequellen parallel schalten oder ein Modell mit großer Leistungsreserve erwerben und Möglichkeiten zum Abführen überschüssiger Wärme in der Frühjahrs- / Sommersaison bereitstellen.

Systemstagnation

Lassen Sie uns ein wenig mehr über die Probleme sprechen, die mit einem Überschuss an erzeugter Wärme verbunden sind. Angenommen, Sie haben einen ausreichend leistungsstarken Solarkollektor installiert, der das Heizsystem Ihres Hauses vollständig mit Wärme versorgen kann. Aber der Sommer kam und der Heizbedarf verschwand. Wenn Sie den Strom für einen Elektrokessel abschalten können, die Brennstoffzufuhr für einen Gaskessel abschalten können, haben wir keinen Strom über die Sonne - wir können ihn nicht abschalten, wenn es zu heiß ist.

Die Stagnation des Systems ist eines der Hauptprobleme bei Sonnenkollektoren. Wird dem Kollektorkreislauf zu wenig Wärme entzogen, überhitzt sich das Kühlmittel. In einem bestimmten Moment kann letzteres kochen, was zur Beendigung seines Kreislaufs entlang des Kreislaufs führt. Wenn sich das Kühlmittel abkühlt und kondensiert, nimmt das System den Betrieb wieder auf. Bei weitem nicht alle Arten von Kühlmitteln übertragen jedoch ruhig den Übergang von einem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand und umgekehrt. Einige erhalten infolge Überhitzung eine geleeartige Konsistenz, die den weiteren Betrieb der Schaltung unmöglich macht.

Nur eine stabile Wärmeabfuhr durch den Kollektor hilft, Stagnation zu vermeiden. Wenn die Berechnung der Leistung des Geräts korrekt durchgeführt wird, ist die Wahrscheinlichkeit von Problemen nahezu Null.

Selbst in diesem Fall ist das Auftreten von Umständen höherer Gewalt nicht ausgeschlossen. Daher sollten im Voraus Möglichkeiten zum Schutz vor Überhitzung vorgesehen werden:

1. Installation eines Reservetanks für die Speicherung von Warmwasser. Wenn das Wasser im Haupttank des Warmwasserversorgungssystems das eingestellte Maximum erreicht hat und der Sonnenkollektor weiterhin Wärme liefert, wird automatisch umgeschaltet und das Wasser beginnt sich bereits im Reservetank zu erwärmen. Der erzeugte Vorrat an warmem Wasser kann später bei bewölktem Wetter für den Hausgebrauch verwendet werden.

2. Erhitztes Wasser im Pool. Besitzer von Häusern mit Pool (egal, ob drinnen oder draußen) haben eine großartige Möglichkeit, überschüssige Wärme abzuleiten. Das Volumen des Pools ist unvergleichlich größer als das Volumen eines Haushaltsspeichers, woraus folgt, dass sich das darin befindliche Wasser nicht so stark erwärmt, dass es keine Wärme mehr aufnehmen kann.

3. Heißes Wasser ablassen. In Ermangelung der Möglichkeit, überschüssige Wärme zu verbrauchen, können Sie das erwärmte Wasser aus dem Warmwasserspeicher einfach und in kleinen Portionen in kleine Abwasserkanäle ablassen. Das in den Tank eintretende kalte Wasser senkt die Temperatur des gesamten Volumens, wodurch dem Kreislauf weiterhin Wärme entzogen wird.

4. Externer Wärmetauscher mit Lüfter. Wenn der Sonnenkollektor eine hohe Kapazität hat, kann die überschüssige Wärme auch sehr groß sein. In diesem Fall ist das System mit einem zusätzlichen mit Kältemittel gefüllten Kreislauf ausgestattet. Dieser zusätzliche Kreislauf wird über einen Wärmetauscher mit Lüfter an das System angeschlossen und außerhalb des Gebäudes montiert. Bei Überhitzungsgefahr gelangt überschüssige Wärme in den Zusatzkreis und wird über den Wärmetauscher an die Luft "abgegeben".

5. Die Abgabe von Wärme in den Boden. Befindet sich zusätzlich zum Sonnenkollektor im Haus eine Erdwärmepumpe, kann überschüssige Wärme an den Brunnen abgegeben werden. In diesem Fall lösen Sie zwei Probleme gleichzeitig: Zum einen schützen Sie den Kollektorkreislauf vor Überhitzung und zum anderen stellen Sie die Wärmereserve im im Winter erschöpften Boden wieder her.

6. Sonnenkollektorisolierung vor direkter Sonneneinstrahlung. Diese Methode ist aus technischer Sicht eine der einfachsten. Natürlich lohnt es sich nicht, auf das Dach zu klettern und den Kollektor manuell abzudecken - es ist schwierig und unsicher. Es ist viel rationeller, einen ferngesteuerten Bildschirm wie einen Rollladen zu installieren. Sie können das Klappensteuergerät sogar an den Regler anschließen - steigt die Temperatur im Kreislauf gefährlich an, schließt der Kollektor automatisch.

7. Kühlmittel ablassen. Diese Methode kann als Kardinal betrachtet werden, ist aber gleichzeitig recht einfach.Bei Überhitzungsgefahr wird das Kühlmittel über eine Pumpe in einen im Systemkreislauf integrierten Spezialtank abgeführt. Wenn die Bedingungen wieder günstig sind, leitet die Pumpe das Kühlmittel in den Kreislauf zurück und der Kollektor wird wiederhergestellt.

Andere Systemkomponenten

Es reicht nicht aus, die von der Sonne ausgestrahlte Wärme einfach zu sammeln. Es ist weiterhin erforderlich, diese zu transportieren, zu akkumulieren, an die Verbraucher weiterzugeben, all diese Prozesse zu steuern usw. Dies bedeutet, dass das System neben den auf dem Dach befindlichen Kollektoren viele andere Komponenten enthält, die möglicherweise weniger auffällig, aber nicht weniger wichtig sind. Konzentrieren wir uns nur auf einige von ihnen.

Kühlmittel

Die Funktion des Kühlmittels im Kollektorkreislauf kann entweder durch Wasser oder ein nicht gefrorenes Fluid ausgeführt werden.

Wasser weist eine Reihe von Nachteilen auf, die seine Verwendung als Kühlmittel in Solarkollektoren einschränken:

• Erstens gefriert es bei Gefriertemperaturen. Damit das gefrorene Kühlmittel die Leitungen des Kreislaufs nicht beschädigt, muss es bei kalter Witterung abgelassen werden, sodass Sie im Winter nicht einmal geringe Mengen an Wärmeenergie vom Kollektor erhalten.
• Zweitens kann ein nicht zu hoher Siedepunkt des Wassers im Sommer zu häufigem Stillstand führen.

Nicht gefrierende Flüssigkeiten haben im Gegensatz zu Wasser einen deutlich niedrigeren Gefrierpunkt und einen unvergleichlich höheren Siedepunkt, was die Verwendung als Kühlmittel erleichtert. Bei hohen Temperaturen kann sich das „Nicht-Gefrieren“ jedoch irreversibel ändern. Daher sollte es vor übermäßiger Überhitzung geschützt werden.

Angepasste Pumpe für Solaranlagen

Um eine Zwangsumwälzung des Kühlmittels im Kollektorkreislauf zu gewährleisten, wird eine für Solaranlagen angepasste Pumpe benötigt.

Warmwassertauscher

Die Wärmeübertragung vom Sonnenkollektorkreislauf auf das in der Brauchwasserversorgung verwendete Wasser oder auf den Wärmeträger der Heizungsanlage erfolgt über einen Wärmetauscher. In der Regel wird zur Speicherung von Warmwasser ein großvolumiger Tank mit bereits eingebautem Wärmetauscher verwendet. Es ist sinnvoll, Tanks mit zwei oder mehr Wärmetauschern zu verwenden. Auf diese Weise können Sie nicht nur dem Sonnenkollektor, sondern auch anderen Quellen (Gas- oder Elektrokessel, Wärmepumpe usw.) Wärme entziehen.

Automatisierung

Ein solch komplexes System kann nicht ohne Automatisierung, Überwachung und Steuerung des Prozesses auskommen. Mit der Steuerung können Sie die Arbeit des Kollektors automatisieren: Sie analysiert die Temperatur im Kreislauf und im Speichertank, steuert die Pumpe und die Ventile, die für die Bewegung des Kühlmittels entlang des Kreislaufs verantwortlich sind. Wenn sich das Kühlmittel im Kreislauf und das Wasser im Tank überhitzen, gibt die Steuerung den Befehl, die Wärme in einen alternativen Kühlkörper abzuleiten - einen zusätzlichen Wassertank oder einen Außenluftwärmetauscher.

Wenn am Ende der Tagesstunden die Temperatur des Wassers im Speichertank die Temperatur des Kühlmittels im Kollektorkreislauf überschreitet, stoppt die Automatisierung die Zirkulation des Kühlmittels entlang des Kreislaufs, sodass die angesammelte Wärme nicht über den Kollektor selbst an die Atmosphäre abgegeben wird. Moderne Steuerungen ermöglichen es, den Betrieb des Systems aus der Ferne zu überwachen und gegebenenfalls Anpassungen vorzunehmen.

Heute wird es nicht schwierig sein, einen Sonnenkollektor und alle für seinen Betrieb erforderlichen Komponenten auf dem Markt zu finden. Es ist durchaus möglich, ein System aus separat zu erwerbenden Elementen zusammenzusetzen. Die Hersteller bieten jedoch fertige Kits an, die einen Kollektor, Pumpen, Speichertanks, Steuerungsautomatisierung usw. umfassen. Der Kauf eines solchen Kits spart nicht nur Zeit, sondern garantiert auch die Systemleistung.