Solarheizung

Hintergrund

In nur einer Sekunde gibt die Sonne das 13-Millionenfache der Energie ab, die durch den gesamten Stromverbrauch eines Jahres in den Vereinigten Staaten erzeugt wird. Nur ein Millionstel der Sonnenenergie erreicht die Erde, aber diese geringe Menge würde mehr als ausreichen, um den Energiebedarf unseres gesamten Planeten zu decken. Die relative Schwierigkeit bei der Gewinnung von Energie aus der Sonne im Vergleich zu Systemen, die Energie aus fossilen Brennstoffen oder Kernkraft gewinnen, hat ihre Entwicklung als weit verbreitete Energiequelle behindert. In kleinerem Maßstab und in vielen Versuchsprojekten hat sich die Solarenergie jedoch sowohl bei der Strom- als auch bei der Wärmeerzeugung bewährt.

Solarenergie wurde erstmals in den 1950er Jahren für elektrische Zwecke erforscht, als die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Stromerzeugung auf Weltraumsatelliten die Entwicklung einer Solarzelle in den Bell Telephone Laboratories der Vereinigten Staaten auslöste. Doch auch heute noch wandelt die beste Silizium-Solarzelle Sonnenlicht mit nur 18% Wirkungsgrad in elektrische Energie um. Dennoch haben Experimente mit großem Erfolg von der Sonne erzeugte Elektrizität genutzt. Ein weithin sichtbares Projekt zum Thema Solarenergie ist das jährlich stattfindende internationale Solarauto-Rennen.

Solarenergie hat sich als effektiver erwiesen und wurde sowohl für Wasser- als auch für Raumheizungs- und -kühlsysteme verbreiteter genutzt. Als Warmwasserbereiter wird Sonnenenergie am häufigsten zum Beheizen von Schwimmbädern verwendet. Für die Raumheizung werden zwei Haupttypen von Systemen verwendet. Ein passives Solarheizsystem lässt Sonnenenergie durch große Fenster nach Süden (auf der Nordhalbkugel) direkt in ein Gebäude ein und heizt den Raum direkt (dies wird als Direktgewinn bezeichnet und auch als Treibhauseffekt bezeichnet) oder durch eine Wand oder Dach, das die Sonnenstrahlung absorbiert, die entstehende Wärme speichert und die Wärme an das Gebäude abgibt (dies wird als indirekter Gewinn bezeichnet). Ein passives System kann auch einen Absorber und Speicherkomponenten (wie ein Felsbett) verwenden, die nicht Teil des Gebäudes sind, sondern in einer eigenen separaten Kammer enthalten sind. Dies wird als System mit isolierter Verstärkung bezeichnet.

Aktive Solaranlagen nutzen Wasser oder Luft, um Wärme von Kollektoren, die auf der Südseite (wieder auf der Nordhalbkugel) eines Gebäudedachs montiert sind, zu Felsbetten oder Wassertanks zu transportieren. Die gespeicherte Wärme kann entweder direkt in einen Raum geleitet werden, wenn Gesteinsschichten und Luft als Übertragungsflüssigkeit verwendet werden, oder über Fan-Coil-Einheiten, wenn die Sonnenenergie zuerst Wasser erhitzt. Die Wärme wird dann durch die Spulen übertragen, um die Luft zu erwärmen. Kühlsysteme werden ebenfalls in passive und aktive Systeme unterteilt, die Nachtluft und Kondensation nutzen, um die Luft in einem Gebäude zu kühlen.

Verschiedene Typen von Sonnenkollektoren können verwendet werden und sind für die Art der zu beheizenden oder zu kühlenden Einrichtung geeignet. Für den Hausgebrauch eignet sich am besten ein Flachkollektor, ein großer, flacher Kasten mit Glasdeckel und einem wärmeabsorbierenden schwarzen Boden mit oben und unten parallel verlaufenden Rohren. Für den industriellen Einsatz eignet sich am besten ein konzentrierender Kollektor aus reflektierenden Materialien in Form einer Wanne oder Schale.

Verlauf

Die Sonne diente seit Anbeginn der Zeit als Wärmequelle, aber die früheste dokumentierte Die Nutzung eines von Menschenhand gebauten Sonnenkollektorsystems geht auf das Jahr 1776 zurück, als der Schweizer Wissenschaftler Horace de Saussure einen rudimentären Kollektor entwickelte allgemein als "Hot Box" bezeichnet. Der Astronom Sir John Herschel benutzte während einer Expedition nach Afrika in den 1830er Jahren heiße Kisten, um Essen zuzubereiten, und die Verwendung von Solarthermie zum Kochen und zur Wasserdestillation wurde später in bestimmten Teilen Afrikas üblich.

Frühe amerikanische Pioniere des späten 19. Jahrhunderts verwendeten schwarze Töpfe und Pfannen zum Erhitzen von Wasser, während sie tagsüber unterwegs waren, und machten so die Nutzung von Sonnenenergie zum Erhitzen von Wasser populär. Die Idee fand breite Anwendung in Gebieten des Landes, die sonst Brennstoff für die Warmwasserbereitung importieren mussten. Zum Beispiel nutzten 1897 fast 30 % der Häuser in Pasadena, Kalifornien, solarbetriebene Warmwasserbereiter.

Während des nächsten Jahrhunderts wurde Solarenergie weiterhin mäßig genutzt, gewann jedoch während der Energie- und Ölkrise der 1970er Jahre an Popularität. Die Nutzung von Solarenergie ging mit dem Nachlassen der Energiekrise zurück, gewann jedoch in den 1990er Jahren wieder an Popularität, als sich die Bevölkerung der Umwelt- und Gesundheitsgefahren durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Nutzung der Kernenergie zunehmend bewusst wurde.

Rohstoffe

Da es viele Arten von Solarheizungen gibt, gibt es eine Vielzahl von Rohstoffen, die bei ihrer Herstellung verwendet werden können. Dieser Eintrag konzentriert sich auf ein grundlegendes passives Wohnsystem und ein grundlegendes aktives Wohnsystem.

Eine passive Solaranlage benötigt ein schwarzes Flachkollektor-Paneel aus einer mit zwei Glasscheiben bespannten Stahl-Absorberplatte und einer als Feuchtigkeitssperre wirkenden Isolierunterlage aus Glasfaser-Dämmung oder Polyurethanschaum mit Aluminiumfolien-Deckschicht . Das System befindet sich in einem flachen Kasten aus Holz, verzinktem Stahl oder Aluminium. Das System erfordert normalerweise auch einen Wärmespeicherbehälter, der trockene Kiesel oder Felsen enthält. Dieses Gerät speichert Wärme, wenn ein Gebäude ausreichend beheizt ist. Darüber hinaus benötigt das System einen Differenzthermostat, eine Elektronik, die eine manuelle Regelung der Heizstufen und damit der Raumtemperaturen ermöglicht, sowie ein Lüftungsmodul bestehend aus Verbindungskanälen, Luftfiltern, Gebläse und automatischen Klappen.

Eine aktive Wohnsolarheizung mit Wasser als Speicher benötigt einen Flachkollektor aus einer oder zwei Glasscheiben oder transparentem Kunststoff mit schwarzen Metallrohren und einer Dämmunterlage aus Glasfaserplatten oder einem ähnlichen Dämmstoff. Das System erfordert außerdem Wasserpumpen, einen Speichertank, Wärmetauscher, eine Zusatzheizung, einen Ventilator, Filter und ein Regelventil. Wenn Steine ​​als Lagermaterial verwendet werden, ist eine Isoliertonne muss verwendet werden, um sie einzudämmen, und natürlich sind Wasserpumpen und -schlangen nicht erforderlich.

Alle Solarheizungssysteme verwenden Dichtungen, Aluminiumverkleidungen und Verschlussstreifen, die höchstwahrscheinlich aus Gummi, Farbe und Holz bestehen.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Sammler

• 1 Flachkollektoren werden entweder auf einem Schrägdach oder an senkrechten Wänden installiert, indem an beiden Enden der Kollektoren flache Verteilerschalen aus Blech, die großen Backformen ähneln, installiert und die Schalen an den Dachsparren oder an der Wand befestigt werden . Anschließend wird am oberen Rand der Verteilerpfannen großzügig Verstemmung aufgetragen. Als nächstes wird die Ummantelung am Dach oder an der Wand befestigt und alle Nähte werden verstemmt. Verteilerschlitze werden in die Ummantelung geschnitten und eine Blockierung wird um den Umfang der Ummantelung befestigt.
• 2 Die Absorberplatte wird über die Ummantelung montiert und reicht bis zur äußeren Verteilerblockierung. Die Enden werden mit Endverschlussstreifen verschlossen, die typischerweise aus Gummi und Dichtungsmasse bestehen. Die oberen und unteren Kanten sind ebenfalls verstemmt.
• 3 Auf der Absorber-O-Platte werden Dachlatten befestigt und ein Verglasungssystem bestehend aus einer einlagigen Glasscheibe auf einem Dach oder einer zweilagigen Glasscheibe auf einer Wand angebracht.
• Um den Kollektor werden 4 Sprossen aus Aluminium installiert.

Lüftungs- und Kontrollsystem

• 5 Bei einem passiven System besteht das Lüftungssystem lediglich aus einem zwischen Kollektor und Wohnraum installierten Kanalsystem sowie einem Ventilator und einer manuellen Steuerung zur Aktivierung des Ventilators. Ein isoliertes Verstärkungssystem würde auch eine separate Speicherkammer und ein Kanalsystem umfassen, das zu und von der Kammer führt.
• 6 In einem aktiven System ist ein Vorratsbehälter mit Steinen oder Wasser erforderlich, um überschüssige Wärme zu speichern. Vom Kollektor zum Haus, vom Kollektor zum Vorratsbehälter und vom Vorratsbehälter zum Haus werden Rohrleitungen mit Auf-Zu-Klappen installiert. Zwei Lüfter sind verbaut.

Speicher

• 7 Ein Steinspeichersystem besteht aus einem isolierten Behälter, der mit kleinen Steinen von 2,5-12,7 cm Breite gefüllt ist. Zwischen den Steinen wird ausreichend Platz gelassen, um das Blasen von Luft durch die Kanalanschlüsse an beiden Enden des Behälters zu erleichtern.
• 8 Ein Wasserspeichersystem ähnelt dem Gesteinsspeichersystem und verwendet Wasser statt Gestein.

Qualitätskontrolle

Bei einer Solaranlage für Wohngebäude kann der Sitz der Endverschlüsse und die Angemessenheit der Verstemmung an den Kollektoren mit einer Rauchbombe auf Undichtigkeiten getestet werden. Der Rauchtest wird vor der Verglasung durchgeführt.

Die Zukunft

Da immer mehr Prototypen von solarbeheizten und solarbetriebenen Wohn- und Gewerbeeinheiten entwickelt werden, zeigt diese Energiequelle ernsthafte Anzeichen dafür, zu einer mehr als experimentellen Wärme- und Stromquelle zu werden. Umwelt- und Naturressourcengruppen sowie und oft in Zusammenarbeit mit dem US-Energieministerium und mehreren internationalen Organisationen drängen weiterhin auf eine breitere Nutzung von Solarwärme und -energie und entwickeln kontinuierlich neue und innovative Verwendungen für diese Quelle von Energie. Während sich die Arbeit in der Solarenergie-Forschungsanlage des Department of Energy auf Photovoltaik konzentriert, zeugt das Gebäude selbst vom Erfolg der Solarenergie. Das innovative, fensterbeladene, treppenartige Design des Gebäudes ermöglicht direkte Sonneneinstrahlung und Heizung und ist ein Beispiel dafür, wie erfolgreich Solarenergie sein kann – und wie weit dies in Zukunft werden könnte.

Die American Solar Energy Society demonstriert die Praktikabilität der Solarenergie in ihren jährlichen Solar-Home-Touren. Die Organisation hält ihre Mitglieder auch über gesetzliche Entwicklungen in Bezug auf Solarenergie auf dem Laufenden. Im Juli 1996 setzte sich die Organisation beispielsweise für die Verabschiedung eines Gesetzes zur Förderung erneuerbarer Energien ein. Obwohl bis heute keine derartigen Gesetze erlassen wurden, deutet die Einführung solcher Gesetzesentwürfe zumindest bei einigen Kongressmitgliedern auf ein Interesse an Solarenergiethemen hin. Die International Solar Energy Society beschäftigt sich auf globaler Ebene mit ähnlichen Themen und setzt sich weltweit für eine größere Abhängigkeit von Solarenergie ein.