Solare Warmwasserbereitung beschreibt aktive und passive Solartechnologien, die die frei verfügbare Solarthermieenergie nutzen , um Wasser für eine gewünschte Anwendung zu erhitzen.
Dies ist eine der effizientesten Methoden zur Wassererwärmung (im Hinblick auf Energie/Abfall), da im Gegensatz zur elektrischen Widerstandsheizung oder Brennstoffverbrennung keine Energieumwandlung erforderlich ist. Dabei handelt es sich um eine einfache Übertragung und Konzentration von Wärmeenergie von einem Ort zum anderen. ( Siehe Wikipedia:Wärmeübertragung . ) Ein weiteres Beispiel für die Effizienz dieser Technologie ist, dass sie mit Solarenergie betrieben wird, die kostenlos ist und nur von der verwendeten Technologie sowie deren Kosten und Effizienz abhängt. Mit anderen Worten: Die Energie ist kostenlos, nur die Erfassungs-, Umwandlungs- und Speichergeräte tragen zu den Kosten des Systems bei. Allerdings besteht der Hauptnachteil der Solarthermie darin, dass sie nur überall dort verfügbar ist, wo die Sonne sichtbar ist.
Wenn Sie jemals gespürt haben, wie heißes Wasser aus einem Gartenschlauch tropft, der in der Sonne gestanden hat, haben Sie solares Warmwasser in Aktion erlebt.
Im Wesentlichen besteht ein Solarwarmwassersystem aus einem solarthermischen Kollektor , einem gut isolierten Speicherbehälter und einem System zur Übertragung der Wärme vom Kollektor zum Behälter gegenüber einem flüssigen Medium, was in manchen Fällen auch der Fall ist das Wasser selbst.
Inhalt
Anwendungen
Da es weltweit unzählige Anwendungen gibt, in denen Warmwasser für Privathaushalte, Gewerbe und Industrie genutzt wird, gibt es Möglichkeiten, solarthermische Technologien zur Erwärmung dieses Wassers einzusetzen.
Heutzutage verändert sich der Markt und sowohl die wirtschaftlichen als auch die Umweltkosten, die mit der Nutzung von Gas und Strom zur Warmwasserbereitung verbunden sind, werden durch effizientere, kostengünstigere Systeme wie das Solarwarmwassersystem in Frage gestellt.
Hintergrund
Solarwarmwasser ist kein neues Phänomen. In den Vereinigten Staaten war es bis etwa in die 1920er Jahre weit verbreitet, als es durch zuverlässige fossile Brennstoffsysteme verdrängt wurde.
Einige sind der Ansicht, dass heißes Wasser im Bereich der entsprechenden Technologie kaum Anwendung findet und größtenteils ein Luxus ist, den sich die Industrieländer leisten können. Ein Text [ Überprüfung erforderlich ] zu diesem Thema legt nahe, dass das in der „Dritten Welt“ benötigte Warmwasser mit einem Brennstoff wie Holz erhitzt werden kann, der gleichzeitig das Haus und das Wasser heizt. Solche Entlassungen sind in zweierlei Hinsicht gefährlich:
- Erstens zielt Appropriate Technology darauf ab, Abfall zu reduzieren und die Effizienz bei der Nutzung natürlicher Ressourcen zu steigern. Holz heizt zwar sowohl Wasser als auch das Haus, ist aber auch eine natürliche Ressource, die in vielen armen Ländern nicht verfügbar ist. Die Sonne hingegen ist überall präsent und sendet Energie aus, unabhängig davon, ob wir sie nutzen. Viele Frauen und Kinder in Ländern der Dritten Welt sterben an einer Lungenerkrankung, die durch falsche Belüftung und übermäßigen Rauch von Kochfeuern verursacht wird. Tatsächlich ist Lungenkrankheit die häufigste Todesursache vor Aids und Hunger.
- Zweitens ist es unerlässlich, dass es dort, wo Warmwasserbedarf besteht, eine Möglichkeit gibt, dieses Warmwasser kostengünstig und innerhalb der von den lokalen Ressourcen vorgegebenen Parameter zu erhalten. Wenn diese Technologie verbreitet wird, könnte sie zu einer erheblichen Verringerung des ökologischen Fußabdrucks einer Region führen, der mit herkömmlichen Mitteln zur Warmwasserbereitung verbunden ist .
Sonnenenergie
Karte A und B Theoretische jährliche mittlere Sonneneinstrahlung, an der Spitze der Erdatmosphäre (oben) und an der Oberfläche auf einem horizontalen Quadratmeter.
Karte C Karte der globalen Solarenergieressourcen. Die Farben zeigen die durchschnittlich verfügbare Sonnenenergie auf der Oberfläche (gemessen von 1991 bis 1993). Zum Vergleich stellen die dunklen Scheiben die Landfläche dar, die benötigt wird, um den gesamten Primärenergiebedarf durch PV mit einem Umwandlungswirkungsgrad von 8 % zu decken.Die Sonnenstrahlung erreicht die obere Erdatmosphäre mit einer Rate von 1366 Watt pro Quadratmeter (W/m 2 ). [1] Karte A zeigt, wie die Sonnenenergie in verschiedenen Breiten variiert.
Beim Durchgang durch die Atmosphäre werden 6 % der einfallenden Sonnenstrahlung (Sonneneinstrahlung) reflektiert und 16 % absorbiert, was zu einer Spitzenbestrahlungsstärke am Äquator von 1.020 W/m² führt. Durchschnittliche atmosphärische Bedingungen (Wolken, Staub, Schadstoffe) reduzieren die Sonneneinstrahlung zusätzlich um 20 % durch Reflexion und 3 % durch Absorption. Die atmosphärischen Bedingungen verringern nicht nur die Menge der Sonneneinstrahlung, die die Erdoberfläche erreicht, sondern beeinflussen auch die Qualität der Sonneneinstrahlung, indem sie das einfallende Licht streuen und sein Spektrum verändern. [2]
Karte C zeigt die durchschnittliche globale Einstrahlung, die aus Satellitendaten der Jahre 1991 bis 1993 berechnet wurde. Beispielsweise liegt in Nordamerika die durchschnittliche Sonneneinstrahlung am Boden über ein ganzes Jahr (einschließlich Nächten und bewölktem Wetter) zwischen 125 und 375 W/m² (3 bis 9 kWh/m²/Tag). [3] Dies stellt die verfügbare Leistung dar und nicht die gelieferte Leistung. Derzeit wandeln Photovoltaikmodule typischerweise etwa 15 % des einfallenden Sonnenlichts in Strom um ; Daher liefert ein Solarpanel in den angrenzenden Vereinigten Staaten im Durchschnitt 19 bis 56 W/m² oder 0,45 – 1,35 kWh/m²/Tag. [4]
Die dunklen Scheiben in Karte C rechts sind ein Beispiel für die Landflächen, die, wenn sie mit 8 % effizienten Solarpaneelen bedeckt wären, etwas mehr Energie in Form von Elektrizität produzieren würden als die gesamte weltweite Primärenergieversorgung im Jahr 2003. [5 ] Während die durchschnittliche Sonneneinstrahlung und die durchschnittliche Leistung Aufschluss über das Potenzial der Solarenergie auf regionaler Ebene geben, sind lokal relevante Bedingungen für das Potenzial eines bestimmten Standorts von größter Bedeutung.
Nach ihrem Durchgang durch die Erdatmosphäre liegt der Großteil der Sonnenenergie in Form von sichtbarer und infraroter Strahlung vor. Pflanzen nutzen Sonnenenergie, um durch Photosynthese chemische Energie zu erzeugen. Menschen nutzen diese Energie regelmäßig, indem sie Holz oder fossile Brennstoffe verbrennen oder einfach nur Pflanzen essen. Stellen Sie sich vor, wir würden einen Weg finden, diese Energie zu nutzen und Pflanzen und fossile Brennstoffe außen vor zu lassen.
Ein aktuelles Problem ist die globale Verdunkelung, ein Effekt der Umweltverschmutzung, der dazu führt, dass weniger Sonnenlicht die Erdoberfläche erreicht. Es ist eng mit Schadstoffpartikeln und der globalen Erwärmung verbunden und ist vor allem im Zusammenhang mit Fragen des globalen Klimawandels von Belang, bereitet aber auch Befürwortern der Solarenergie Sorgen, da die verfügbare Solarenergie derzeit und möglicherweise in Zukunft zurückgeht. (Etwa 4 % weniger Sonnenenergie steht im Zeitraum 1961–90 auf Meereshöhe zur Verfügung), hauptsächlich aufgrund der zunehmenden Reflexion von Wolken zurück in den Weltraum. [6]
- Hinweis: Der Wikipedia-Inhalt gilt nur für diesen Abschnitt.
Typen
Passives Closed-Loop-System in Parras de la Fuente, Coahuila, MexikoSolarwarmwassersysteme sollen die Sonnenenergie der Sonne in Wasser übertragen . Das effizienteste und effektivste Solarwarmwassersystem für eine bestimmte Situation zu finden, kann eine herausfordernde Aufgabe sein. Bei der Auswahl der am besten geeigneten Systemkonfiguration müssen eine Reihe wichtiger Faktoren berücksichtigt werden. Zu diesen Faktoren gehören zu einem großen Teil die Stärke der Sonneneinstrahlung, Klima, Bau-, Installations- und Materialkosten, Standort und Zugänglichkeit des Systems, Menge des zu erwärmenden Wassers, Häufigkeit der Warmwassernutzung, Verfügbarkeit von Strom, Verfügbarkeit von Materialien, und Qualifikationsniveau im Baugewerbe.
Die folgenden Systemklassifizierungen bestehen aus drei Gruppen zu je zwei und einer Gruppe aus einem einzigen System. Diese vier Hauptgruppen sind:
- Offener Regelkreis vs. geschlossener Regelkreis .
- Aktiv vs. Passiv .
- Verwendet einen Wärmetauscher vs. Verwendet keinen Wärmetauscher .
- Batch-System .
Jedes System verwendet ein Merkmal aus jeder Gruppe. Beispielsweise kann es sich bei einem System um ein aktives System mit offenem Kreislauf handeln, das keinen Wärmetauscher verwendet. Oder ein anderes Beispiel: Ein System kann ein passives System mit geschlossenem Kreislauf sein, das einen Wärmetauscher verwendet. Einige Systeme sind viel einfacher herzustellen als andere, und Menschen mit grundlegenden Werkzeug- und Konstruktionskenntnissen können problemlos ein funktionsfähiges System erstellen. Wenn jemand sein eigenes System erstellen möchte, würde diese Variabilität in der Komplexität Einfluss darauf haben, welcher Systemtyp gewählt wird.
Die Kosten sind ein weiterer Faktor und jede Systemkonfiguration bringt unterschiedliche Kosten und Vorteile mit sich. Die Kosten eines bestimmten Systems können von Land zu Land und von Region zu Region stark variieren. Bestimmte Konfigurationen mit bestimmten Gerätetypen sind in bestimmten Situationen effizienter als andere. Die folgenden Informationen geben einen detaillierten Einblick in diese verschiedenen Möglichkeiten zur Konstruktion von Warmwasser-Solarkollektoren.
Am Ende dieser Seite werden auch verschiedene Kollektortypen sowie Beispiele verschiedener gängiger Solarwarmwassersysteme gezeigt.
Auf dieser Seite werden die verschiedenen Systeme beschrieben, die zur Wassererwärmung mithilfe der Sonne eingesetzt werden. Eine allgemeinere Beschreibung von Solarwarmwasser finden Sie auf der Seite Solarwarmwasser .
Einfache Systeme
Eine sehr einfache Solardusche, die in sonnigen Regionen effektiv ist, verwendet einen schwarzen Beutel voller Wasser, der in direktem Sonnenlicht aufgehängt wird.
Ein sehr einfaches „System“ lässt sich entwickeln, indem man Wasser durch einen Schlauch oder ein Rohr laufen lässt, das der Sonne ausgesetzt ist, und dieses dann in einer Thermosiphon- Anordnung mit einem Vorratsgefäß verbindet . Ein Thermosiphon bewirkt, dass erhitztes Wasser das darüber liegende kühlere Wasser verdrängt, und solange das erhitzte Wasser weiter nach oben gelangen kann, wird dies der Fall sein. Im Rohr/Schlauch darf keine Luft vorhanden sein, da dies die Bewegung stoppen würde. Außerdem muss vom Schlauch zum Lagerbehälter eine Steigung von mindestens ca. 1,2 m (4 Fuß) vorhanden sein. Es kann ein Kreislauf eingerichtet werden, der das Wasser vom Behälter zum Schlauch und zurück zirkuliert, wodurch der Heizvorgang fortgesetzt wird. Kühles Wasser wird vom Boden angesaugt, durch den Schlauch zirkuliert und nahe der Oberseite des Behälters zurückgeführt. Solange der Siphon nicht kaputt ist (Luft vorhanden), kann Wasser zur Verwendung aus dem Gefäß getaucht oder abgelassen werden. Dies ist ein einfaches System mit offenem Kreislauf, das heißt, Wasser gelangt in das System und wird zur Verwendung aus dem System entfernt.
Ein Durchlauferhitzer.Ein anderer Typ kann als Durchlauferhitzer bezeichnet werden , da er mithilfe eines Thermosiphons eine Wassermenge erhitzt, zur Absorption der Sonnenenergie jedoch einen konstruierten Sonnenkollektor nutzt. Die Einschränkung besteht darin, dass sich der Speicher über dem Kollektor befindet, der sich auf dem Dach oder einer der Sonne ausgesetzten Fläche befindet. Daher muss das Warmwasser über Leitungen zum Verbrauchsort geleitet werden, was zu Wärmeverlusten führt. Es wurde auch ein spezielles kommunales Solarwassererwärmungssystem vorgeschlagen, bei dem ein Durchlauferhitzer zum Einsatz kommt.
Anspruchsvollere Systeme
Es gibt ausgefeiltere Systeme, einige verwenden noch immer ein System mit offenem Kreislauf (durch Anbindung an einen vorhandenen Warmwasserbereiter oder ein anderes Gefäß). Ein Solarkollektor im Sonnenlicht mit einer Pumpe und einer Stromquelle unterstützt oder ersetzt den vorhandenen Warmwasserbereiter. Das Wasser zirkuliert vom Warmwasserbereitertank zum freiliegenden Kollektor und zurück zum Tank, wodurch das Wasser weiter umgewälzt und erwärmt wird. In diesem System kann eine photovoltaisch betriebene Umwälzpumpe mit geringem Volumen verwendet werden, sodass keine externe Stromversorgung erforderlich ist. Je effizienter, je größer der Kollektor und je kleiner das Tankspeichervolumen, desto schneller erwärmt sich das Wasser. Je länger es in Betrieb ist, desto heißer wird das Wasser, bis sich der Wärmeverlust bei der Wassertemperatur einpendelt. Dieses System mit offenem Kreislauf funktioniert sehr gut in Klimazonen, in denen es keine oder nur selten Temperaturen unter dem Gefrierpunkt gibt. Sie können in kühleren Klimazonen arbeiten, indem sie ein System mit Abflüssen verwenden, um das Wasser aus dem Teil des Systems zu entleeren, der dem Gefrieren ausgesetzt ist. Die Abflüsse können manuell betätigt oder automatisch thermostatisch gesteuert werden. Diese Art von System kann in großem Umfang zur Unterstützung oder als Ersatz für bestehende herkömmliche Warmwasserbereiter eingesetzt werden.
Systeme mit geschlossenem Kreislauf eignen sich am besten für Klimazonen, in denen es gefriert und niedrigere Temperaturen erreicht. Sie sind jedoch anspruchsvoller und daher teurer. Im geschlossenen Kreislaufsystem zirkuliert ein Kühlmittel, normalerweise Propylenglykol, durch den Kollektor und dann zu einem Wärmetauscher, wo die aufgenommene Wärme vom Kühlmittel auf Wasser übertragen wird. Das Propylenglykol bleibt bei viel niedrigeren Temperaturen flüssig und nimmt weiterhin Wärme auf und überträgt sie an das Wasser. Auch das Propylenglykol verbleibt im System, daher die Bezeichnung „Closed-Loop“. Der Wärmetauscher befindet sich entweder außerhalb eines vorhandenen Warmwasserbereitertanks oder ersetzt den vorhandenen Tank. In diesem System kann auch eine PV-betriebene Kleinumwälzpumpe eingesetzt werden.
Diese Systeme und zugehörigen Technologien sind grundsätzlich nach Kosten, Komplexität und Energie geordnet. Die einfachen Systeme sind sicherlich „ geeignete Technologien “ und könnten mit minimalen Investitionen und mit Anleitung von praktisch jeder Kultur genutzt werden, unabhängig von der wahrgenommenen Raffinesse. Die Open-Loop-Systeme können in Entwicklungsländern im Originalbau oder nachgerüstet eingesetzt werden, und wie bei den einfachen Systemen können die Installationsarten die Energiekosten und Treibhausgasemissionen erheblich senken und eine stärkere Konzentration auf andere Bedürfnisse ermöglichen. Die Systeme mit geschlossenem Kreislauf sind teurer und daher stärker auf wohlhabendere Kulturen beschränkt, ihre Vorteile sind jedoch denen der anderen ähnlich. Basierend auf dem Energieverbrauch pro Kopf können die teureren Systeme den Verbrauch fossiler Brennstoffe wahrscheinlich stärker reduzieren als die anderen.
Vakuumröhrenkollektor auf einem BlechhausModerne, in Massenproduktion hergestellte Vakuumröhren W speichern Wärme auch unter dem Gefrierpunkt. Die Rohre selbst eignen sich am besten für die Massenproduktion, der Rest des Systems ist jedoch flexibler in der Herstellung. Vakuumröhren nutzen einen vakuumdichten Raum, um die Kollektorröhre von den Außenelementen zu trennen. Wenn die Sonnenstrahlung von diesen Kollektoren absorbiert und in Wärme umgewandelt wird, verhindert die Vakuumbarriere, dass ein Großteil dieser Energie entweicht. Im Wesentlichen funktioniert diese Methode ähnlich wie eine Thermoskanne. Die Fähigkeit, eingefangene Sonnenstrahlung einzudämmen und gleichzeitig den Verlust an die Außenumgebung zu verhindern, ermöglicht es Vakuumrohrsystemen, Wasser kontinuierlich zu erhitzen, selbst wenn die Temperatur außerhalb des Systems eisig ist.
Solarwarmwasserbecken
Aaaannnnd AKTION! Spürbare Auswirkungen der Sonnenenergie.Schwimmbäder ... Ihre Haut kribbelt vor Vorfreude darauf, an diesen unglaublich heißen Sommertagen in klares, kühles Wasser einzutauchen. Dieser präzise Moment des Kontakts macht die ganze Mühe der Reinigung und Pflege Ihres Pools lohnenswert, nicht wahr? Wenn nur die heißen Tage länger anhalten würden, damit Sie ein bisschen mehr in Ihrem tropischen Möchtegern-Paradies hinter dem Haus faulenzen könnten. Leider hören die Jahreszeiten nicht auf Sie, und unweigerlich greifen Herbst, Winter und Frühling Ihren kostbaren Pool an, kühlen ihn bis auf die gefliesten Knochen aus und machen ihn für Sie völlig unbrauchbar. Die meiste Zeit des Jahres steht Ihr Pool ungenutzt und ungeliebt da, wie ein Hund, der sehnsüchtig auf die Rückkehr seines Besitzers wartet, wie eine ruhende Narzissenzwiebel, die auf die Schneeschmelze wartet, wie ein ... Genauso sicher, wie wir nicht hierher geschickt wurden Wenn die Erde leidet, können wir sicherlich alle bekommen, was wir wollen. Und wenn dazu für Sie ein beheizter Pool ohne die finanziellen und ökologischen Kosten fossiler Brennstoffe gehört, dann willkommen in der weiten Welt der solaren Warmwassersysteme .
Ähnliche Projekte
Verweise
- ^ Solar Spectra: Standard Air Mass Zero NREL Renewable Resource Data Center
- ^ Erdstrahlungsbudget NASA Langley Research Center
- ↑ Solar Maps NREL: Dynamische Karten, GIS-Daten und Analysetools
- ↑ us_pv_annual_may2004.jpg National Renewable Energy Laboratory, USA
- ↑ Homepage Internationale Energieagentur
- ^ Liepert, BG (02.05.2002) Beobachtete Verringerungen der Oberflächensonnenstrahlung in den Vereinigten Staaten und weltweit von 1961 bis 1990 GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 29, NEIN. 10, 1421
Siehe auch
- Grüne Abstimmung von Raumheizungssystemen : Neben der Erwärmung des Wassers zur Verwendung in diesem Zustand kann es auch dazu verwendet werden, es durch Heizkörper zu zirkulieren, um so ein Raumheizungssystem zu schaffen (siehe auch: Wärmepumpensystem#Einbau eines Wärmepumpensystems in ein Haus in der Praxis )
- Solarthermische Kollektoren zum Selbermachen
Externe Links
Volltextarbeit
- Experimentelle Analyse einer indirekten solarunterstützten Wärmepumpe zur Warmwasserbereitung von BRIDGEMAN, AG
- Bewertung eines geschichteten Mehrtank-Wärmespeichers für Solarheizanwendungen von Cruickshank, C.
- Zentrale Solarheizwerke mit saisonaler Speicherung für Wohnanwendungen in Kanada: Eine Fallstudie der Drake Landing Solar Community von Wamboldt, J.
![[4]](#cite_note-us_pv_annual_may2004.jpg-4){kind=link}
