Load Adapted Solar Thermal Combisystems - Optical Analysis and Systems Optimization

In a northern European climate a typical solar combisystem for a single family house normally saves between 10 and 30 % of the auxiliary energy needed for space heating and domestic water heating. It is considered uneconomical to dimension systems for higher energy savings. Overheating problems may also occur. One way of avoiding these problems is to use a collector that is designed so that it has a low optical efficiency in summer, when the solar elevation is high and the load is small, and a high optical efficiency in early spring and late fall when the solar elevation is low and the load is large.The study investigates the possibilities to design the system and, in particular, the collector optics, in order to match the system performance with the yearly variations of the heating load and the solar irradiation. It seems possible to design practically viable load adapted collectors, and to use them for whole roofs ( 40 m2) without causing more overheating stress on the system than with a standard 10 m2 system. The load adapted collectors collect roughly as much energy per unit area as flat plate collectors, but they may be produced at a lower cost due to lower material costs. There is an additional potential for a cost reduction since it is possible to design the load adapted collector for low stagnation temperatures making it possible to use less expensive materials. One and the same collector design is suitable for a wide range of system sizes and roof inclinations. The report contains descriptions of optimized collector designs, properties of realistic collectors, and results of calculations of system output, stagnation performance and cost performance. Appropriate computer tools for optical analysis, optimization of collectors in systems and a very fast simulation model have been developed.

Solvärmesystem för hög täckningsgrad - Load adapted concentrating collectors for high solar fractions

Dagens kombisolvärmesystem för enfamiljshus har i storleksordningen 10 m2 solfångare och kan täcka i runda tal 10 ? 30 % av det årliga värmebehovet. Ökar man solfångarytan för att öka solvärmetäckningsgraden uppstår det vanligtvis en överproduktion av värme sommartid viket kan orsaka problem i form av termisk utmattning av material, att material förstörs eller att säkerhetsventiler utlöses med driftsstopp som följd. Vidare förkortas glykolens livslängd radikalt och detta kan ge följdskador såsom korrosion, beläggningar i rören och t o m igensättning av systemet. Ett sätt att undvika problemen med överhettning i solvärmesystem med hög täckningsgrad är att använda lastanpassade solfångare. Med detta menas solfångare som har en verkningsgrad som är beroende av solhöjden och varierar över året. Verkningsgraden är hög när värmelasten är hög (vanligtvis sen höst, vinter och tidig vår) medan verkningsgraden är låg då värmelasten är låg (vanligtvis sen vår, sommar och tidig höst). I denna rapport visas att det är möjligt att bygga lastanpassade solfångarsystem med hög täckningsgrad för enfamiljshus med solfångarytor som täcker hela villatak (>= 40 m2), utan att den termiska påfrestningen på systemet blir större än för vanliga solvärmesystem med 10 m2 plana solfångare. Detta kan göras med samma systemkomponenter som finns i system med plana solfångare. De lastanpassade solfångarna levererar ungefär samma energimängd per m2 som plana solfångare, men de bör kunna bli billigare, på grund av lägre materialkostnad. Det finns även en potential att konstruera lastanpassade solvärmesystem med begränsad stagnationstemperatur, vilket kan möjliggöra användandet av billigare material. En och samma solfångartyp är lämplig för såväl stora som små system och för olika takvinklar. I rapporten redovisas optimerade solfångargeometrier för lastanpassade solvärmesystem, geometrier och optiska egenskaper för praktiskt möjliga solfångare samt beräkningar av förväntat årsutbyte, stagnationstemperaturer, stagnationstider och kostnader. Testresultat för två prototyper av lastanpassade solfångare presenteras. Optimeringsalgoritmer för design av optiken för lastanpassade solfångare i system samt ett ray-tracingverktyg och snabba men ändå tillräckligt noggranna simuleringsverktyg har utvecklats.