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.

Förstude: Beskrivning av uppvärmningssystem med solfångare och värmepump för området Anneberg i Danderyds Kommun

Anneberg är ett område i Danderyds kommun där det skall beredas plats för ett nytt bostadsområde. Området skall bebyggas med flerbostadshus, gruppbostäder och ett sjukhem. Denna förstudie beskriver översiktligt 3 systemförslag som kan användas för uppvärmning av husen i bostadsområdet Anneberg. Målsättningen är att presentera uppvärmningssystem som visar hur solenergi kan användas för att öka värmepumpsystemens värmefaktor.Systemen modellerades i TRNSYS och systemfunktionen samt energiflöden simulerades. Simulerade prestanda för tre olika typer av uppvärmningssystem redovisas. System A är ett vanligt värmepumpsystem med borrhål och värmepump placerad i ett flerfamiljshus av typ 3. System B liknar system A, men har kompletterats med en glasad solfångare för varmvattenberedning. System C är en lösning som kan tillämpas för större byggnader eller för ett område med flera byggnader. Systemet har ett gemensamt värmelager och ett kulvertsystem som förbinder byggnaderna med värmelagret. I varje ansluten byggnad installeras sedan en värmepump och en oglasad solfångare.Simuleringsresultatet redovisas som en värmefaktor för systemets fem första driftår. System A får en värmefaktor på mellan 2,3 och 2,7 för de första 5 driftåren. System B får en värmefaktor på mellan 3,4 och 3,7 och system C får en värmefaktor på mellan 4,0 och 4,5. Studien visar att det går att öka värmefaktorn på en värmepumpanläggning från ca 2,5 upp till 4 eller 4,5 genom att komplettera anläggningen med solfångare och värmelager. Detta innebär att elförbrukningen minskar från att vara ca 40 % av värmebehovet ned till under 25 % av värmebehovet. Det bör således finnas en potential för att komplettera värmepumpanläggningar med solvärme. Vilket utförande som kan bli ekonomiskt intressant kan inte bedömas i denna förstudie. I förstudien visas enbart resultatet för tre enstaka systemutföranden. Inga parametervariationer (tex solfångaryta, antal borrhål och avstånd mellan borrhålen) är utförda. En sådan systemoptimering bör göras med förstudien som utgångsläge.

Solcellspaneler med underliggande tillsatsreflektorer för svenskt klimat

En numerisk studie av möjligheten att öka årsutbytet från solcellspaneler genom att använda underliggande tillsatsreflektorer har genomförts. Studien baseras på solstrålningsdata för Stockholm 1983-1991. Beräkningar har gjorts dels genom att beräkna den totala årliga energimängden som träffar panelen, dels den energimängd som träffar panelen om endast jämn belysning tillåts. Dessa två modeller antas motsvara de energimängder som kan tillvaratas av paneler av tunnfilmstyp respektive traditionella paneler uppbyggda av kristallina kiselceller.Om tillsatsreflektorn antas ha hög spekulär reflektans (rspec = 0.8) kan den årliga energimängden ökas med upp till 25 % med tillsatsreflektor. Denna ökning kan dock bli avsevärt större ifall reflektorn tillåts ändra lutning två gånger per år; 30-37% ökning ifall reflektorlängden är 2-5 ggr panelbredden. Fler lutningsändringar än 2 per år ger endast marginella ytterligare ökningar av den instrålade energimängden.Resultatet blir betydligt sämre då endast jämn belysning kan tillgodogöras av panelen jämfört med då ojämn belysning kan tillgodogöras. Detta indikerar att tillsatsreflektorer för att optimera utbytet från solcellspaneler på årsbasis framförallt är en teknik för paneler av tunnfilmstyp.

Provning av ackumulatorsystem för solvärmeanläggningar

Inom projektet provades 10 konfigurationer av samma ackumulatortank. Tankarna utsattes under kontrollerade förhållanden för en 6-dagars testcykel. Under testet tillfördes varje tank värme från en (simulerad) solfångare och, i den mån det behövdes, tillsatsvärme från elpatronen. Väderförhållanden under de sex dagarna var två fina, en växlande, två dåliga och ytterligare en växlande dag i nämnd följd. De flesta systemkonfigurationer klarade sig under de soliga dagarna utan energitillskott från elpatronen och förmådde dessutom att lagra värnlen så att även tappningar på följande dag med "växlande" väder kunde ske utan el-tillskott. De molniga dagarna behövde alla systemkonfigurationer el-tillskott. Solvärmesystemens täckningsgrad varierade mellan 36,5 % för det sämsta systemet till 70, 3 % för det bästa. En ackumulatortank med två seriekopplade tappvarmvattenvärmeväxIare (en i botten för förvärmning och en i tankens övre del för slutvärmning) ger betydligt bättre resultat än en tank med bara en enda sådan värmeväxlare. Tankens volym var i de utförda provningarna 750 liter, solfångarstorleken 10 m2 och lasten 13 kWh per dag. För dessa förutsättningar ger en yttre solvärmeväxlare inga mätbara fördelar gentemot en tillräcklig stor inbyggd värmeväxlare. De gjorda försöken visar, att alla tankkonfigurationerna visar dålig skiktning. Ett fortsatt arbete bör göras för att minska omblandningen i tanken vid både inladdning och uttag av värme.

Villasystem för solvärme

Del 1:Innehållsförteckning och korta sammanfattningarDEL 2:Verksamhetsberättelsen för perioden maj 1992 till april 1993 beskriver de arbeten som har gjorts av villasolvärmegruppen på SERC efter den inledande studie (SERC/UCFB-91/0039), där villasolvärmesystem kartlades. Följande arbeten beskrivs:- Utveckling av lågflödessystem och internationella kontakter- Uppbyggnad av värmelaboratorium på SERC- Praktiska test av värmelagringsenheten- Praktiska test av nya systemkomponenter i solvärmekretsen- Datasimulering inkluderande nyutvecklade systemkomponenterI verksamhetsplanen beskrivs huvudmålet för de arbeten som ska utföras under trårsperioden 93 - 96. Mera detaljerat beskrivs de arbeten som ska utföras under budgetåret 1993/94:- Beräkningsprogram för nogrannare dimensionering av finrörsvärmeväxlare- Konstruktion av maskiner för värmeväxlartillverkning- Utveckling av värmeväxlare för tappvarmvatten- Simuleringsberäkningar för hela systemet med PRESIM/TRNSYS.DEL 3:Del 3 innehåller en redovisning av mätresultat för den undersökta kombitanken. Temperaturförloppen på olika höjd i tankens har studerats vid uppvärmning genom solvärmeväxlaren och nedkylning genom tappning av varmvatten. Resultaten diskuteras kvalitativt och redovisas kvantitativt i form av diagram. Mätresultaten på två prototyper av den på SERC utvecklade finrörsvärmeväxlaren redovisas och diskuteras i jämförelse till traditionell värmeväxlare. De erhållna mätresultaten används som ingångsvärden för simuleringsberäkningar med PRESIM/TRNSYS. Problemen med de i PRESIM/TRNSYS befintliga modellerna diskuteras. De utförda modellberäkningarna tillåter en uppskattning av möjliga förbättringar i form av höjd årsverkningsgrad för ett svenskt villasolvärmesystem med kombitank. I del 3 redovisas dessutom de mätningar som har utförts på otika pumpar vilka skulle kunna användas i solfångarkretsen. Sex olika pumpar analyseras och diskuteras. Del 3 har följande rubriker:- Beskrivning av den undersökta lagringstanken- Mätningar på tappvarmvattenväxlare- Mätningar på solvärmeväxlare (kamflänsrör och finrörsvärmeväxlare)- Simuleringsberäkningar- PumpmätningarDEL 4:Del 4 innehåller publicerade rapporter under 1992 och 93 samt patentansökan för SERC?s finrörsvärmeväxlare: - NORTH SUN 1992, Solar Energy at High Latitudes, June 24-26 1992 Trondheim, Norway. Domestic solar heating system - a systematic study i progress Patentansökan på finrorsvärmeväxlare till Patent- och Registreringsverket från 93 01 23. ISES SOLAR WORLD CONGRESS, 23-27 augusti 1993, Budapest, HUNGARY Criteria for cost efficient small scale solar hot water installations.DEL 5:Del 5 hänvisar till rapporterna från IEA Task-1 4 mötena om solfångarsystem i- Hameln, Tyskland, augusti 1992 och- Rom, Italien, januari 1993.I rapporterna beskrivs aktiviteten inom den internationella arbetsgruppen speciellt med hänsyn på utveckling av villasolvärmesystem. I Rom presenterades principlösningen för den på SERC utvecklade finrörsvärmeväxlare. De har publicerats separat som nr 42 och 46 i SERCs rapportserie.

Grundläggande förutsättningar för solfångare med interna reflektorer : en kunskapsöversikt

Syftet med föreliggande rapport har varit att visa på de grundläggande egenskaperna för solfångare med interna reflektorer. Vidare tjänar rapporten syftet att ge en bild av dagsläget inom detta område och därigenom fungera som en utgångspunkt för forskning och utveckling kring solfångare med interna reflektorer för svenskt bruk. Arbetet har därför till stor del gått ut på att leta referenser genom tidskrifter och databaser.Den stora fördelen med CPC-solfångare, som är den klart dominerande typen av solfångare med interna reflektorer, består i dess låga värmeförluster, vilket gör dem attraktiva speciellt vid högre driftstemperaturer. De optiska egenskaperna hos olika typer av CPC-solfångare har grundligt studerats sedan mitten av 70-talet, medan studier av värmeförluster varit mer begränsad. Idag har forskningen och intresset för CPC-solfångare mattats av något, men fortsatt forskning pågår t ex i ett flertal länder, t ex USA, Israel, NordIrland och Japan. Endast en kommersiell tillverkare av CPC-solfångare har hittats (Portugal), vilken dock upphört p g a yttre ekonomiska faktorer. Japans CPC-teknologi anses stå närmast kommersiellt genombrott.Idag har utvecklingen av CPC-solfångare inriktats mot i huvudsak två koncept:1. Stationära lågkoncentrerande CPC-solfångare för produktion av värme i området 60-100 grader C. Dessa konstruktioner är ofta enkla och man försöker minimera kostnaderna för dessa konstruktioner genom att minimera behovet av t ex reflektorer och isolering. Syftet med dessa är att konkurera med plana solfångare vilka producerar värme i samma temperaturintervall. Typiska solfångarparametrar 5 som rapporteras för denna typ är UL < 3.0 W/m2 ,°C och n0 = 0.65-0.75.2. Stationära lågkoncentrerande CPC-solfångare för produktion av värme i området 100-300 grader C. Ofta bygger dessa på olika teknik för evakuering av absorbatorn, antingen genom att omsluta cirkulära absorbatorer med glasrör eller genom att införa CPC-reflektorer i heatpipes. Syftet med dessa är ofta att på ett billigt sätt producera högtemperaturvärme för olika industriprocesser, och därmed konkurera med koncentrerande solfångare typ paraboliska tråg eller traditionella heat-pipes.Beräkningar av vad en Svensk CPC-solfångare, baserad på de plana absorbatorer som finns på marknaden idag, kan prestera visar att årsutbytet av energi är jämförbart med de bästa svenska plana solfångaren som finns på marknaden idag då driftstemperaturen är ca 60-65 °C. För högre driftstemperaturer ökar skillnaden till CPC-solfångarens fördel. Vidare visas att årsutbytet har en jämnare fördelning över året jämfört, med vad en plan solfångare med samma prestanda har. Den högre prestandan vid höga driftstemperaturer och den jämnare fördelningen av energiproduktion över året gör solfångare med CPC-reflektorer intressanta för större solfångarfält, kopplade till nät med höga returtemperaturer och/eller solvärmesystem med säsongslager.Det är dock brist på undersökningar av värmeförluster i CPC-solfångare med låga koncentrationer och med plana absorbatorer, vilket är av intresse ifall de svenska erfarenheterna av plana solfångare skall tas tillvara. Potentialen med ytterligare reduktion av värmeförlusterna genom att införa extra konvektionshinder i kombination med plan absorbator har inte heller undersökts tillräckligt.