Transcript Vakuumrör - hur fungerar de?

 Vakuumrör - hur fungerar de?
Att vakuum isolerar bra vet alla som har en kaffetermos. Samma princip utnyttjas i solfångare med vakuumrör, där ,man inte vill förlora den värme som strålningen från solen ger. Ett vakuumrör består av två glasrör tillverkade av extremt hållbart borosilikatglas. Rören smälts samman i ändarna till dubbelväggiga tuber med en luftspalt emellan. Innan detta utrymme definitivt förseglas töms det på luft, så att man uppnår samma goda värmeisolering som i en termos. Det yttre röret är helt transparent för att tilllåta att solstrålningen tränger in med minimal reflektion. Den inre glastuben är försedd med en selektiv metallbeläggning som absorberar solstrålningen, samtidigt som ref‐lexionen är minimal. I ett vakuumrör med heat‐pipe sitter i centrum av tuben en kopparpipa som är fylld med en vätska som förångas på grund av den höga temperatur som uppstår i det inre röret. Ångan kondenseras till vätska då den kyls i heatpipens topp. Den överför i sin tur värmen till glykolblandningen i solfångarens samlingsrör, där värmen förs vidare till byggnadens varmvattensystem. Principen motsvarar den i en traditionell värmepump; med den skillnaden att här inte behövs någon el för att driva systemet. Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom •
Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected] Konstruktionen saknar helt rörliga delar, vilket medför att driftsäkerheten är hög, samtidigt som kravet på underhåll är minimalt. Skulle något av rören mot förmodan gå sönder är det inte svårare att byta ut det än att sätta i en ny glödlampa. I ett vakuumrör med U‐pipe förs den värmebärande vätskan istället ned i vakuumröret, där vätskan sedan upphettas för att sedan cirkulera vidare genom sol‐fångarens samlingsrör. Vakuumrören monteras i grupper om 10 till 30 rör som tillsammans bildar solfångarens kollektor. Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom •
Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected] Vakuumrörsolfångaren
En kort historik
Interiör från Sunrains fabrik i Lianyungang. I de höga skåpen appliceras den selektiva
beläggningen på glasrören under hög temperatur. Processen sker genom förångning i flera
steg.
Idén att, på liknande sätt som i en kaffetermos, utnyttja vakuum för att minska värmeförlusterna i en solfångare hade kläckts i USA redan under 1970‐talet. Men det räckte inte att glasrören i den nya typen av solfångare var väl isolerade. Man måste också utveckla en teknik för att hindra att en alltför stor del av den infallande strålningen reflekterades bort av rörens glasyta och istället absorberas och omvandlas till värme i systemet. De forskare som tog sig an den uppgiften var professorerna Geoffrey Lester Harding och R.E Collins vid University of New South Wales i Sydney och professor Yin Zhiqiang från Bejing TsingHua University i Kina. År 1982 slog de sig samman för att gemensamt forska kring avancerade solfångarsystem. Forskningens mål var klart definierat − man skulle finna det mest optimala materialet för en selektiv antireflexbeläggning för termosisolerade solfångarrör. Beläggningen skulle minimera reflektionen och samtidigt maximera absorptionen av energin i solens strålning. Deras forskning ledde till ett flertal grundläggande internationella patent, för vilka de tre forskarna delade upphovsrätten. De fysikaliska förutsättningarna
Det fysikerna kallar ”en svart kropp” är ett föremål som avger elektromagnetisk strålning på grund av sin temperatur. Så Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom •
Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected] länge temperaturen ligger under cirka 400°C (672°K) är denna strålning osynlig för våra ögon, men då temperaturen stigit tillräckligt kommer strålningen att nå sådana våglängder att den blir synlig för det mänskliga ögat. Till en början syns det som mörkt rött, sedan blir det orangefärgat. För att få den gula färgen som på stålöglan på fotot nedan, bör temperatur uppgå till omkring 1000°C (1272°K). Färgen på den glödgade stålöglan visar att
den bör ha en tem-peratur på ungefär
1000°C.
Ju högre temperaturen är desto kortare är våglängden, samtidigt som frekvensen och strålningsintensiteten ökar. I diagrammet nedan kan vi se att strålningen för den röda kurvan som markerar 300ºK (30ºC) aldrig kommer att bli synlig för vårt öga och att dess maximala intensitet kommer att ligga omkring en våglängd på 10 µm, samtidigt som den maximala strålningsintensiteten är under 100 W/(m² µm). Den gula kurvan motsvarar
temperaturen för solens yta,
5777ºK .
OBS! Skalorna i diagrammet
är logaritmiska.
Den gula kurvan i diagrammet motsvarar istället temperaturen för solens yta, 5777ºK (5505ºC). För ett föremål med denna temperatur kommer (som framgår av diagrammet) strålningens intensitet att ha sitt maximum omkring 0,5 mikrometer, samtidigt som den kommer att vara 1 miljon gånger starkare än vid 30°C! Det ovan nämnda strålningsvärdet avser den strålning solen skulle avge som en teoretiskt svart kropp, men lyckligtvis är den strålning som når oss från solen inte så intensiv. Det mesta av det ultravioletta ljuset, samt mikrovågs‐ och röntgenstrålningen, reflekteras från jordens atmosfär – eller absorberas. I annat fall skulle vi inte kunna leva här. Nästan all solstrålningsenergi som når ned till oss har en våglängd som är kortare än 2000nm (2 mikrometer). Vid Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom •
Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected] denna våglängd kommer ett föremål med en temperatur på 100ºC (372ºK) då vatten kokar, ha en strålningsintensitet nära noll. En selektiv beläggning som ska ta tillvara den solenergi som når jorden bör som framgår av detta kunna absorbera (och därmed i princip också emittera) strålning med korta våglängder, samtidigt som den inte kan emittera (eller absorbera) strålning med långa våglängder, som infraröd strålning. Den ideala gränsen går som diagrammet ovan visar vid cirka 2‐3 mikrometer. Det hela bygger på att absorption och emission är i princip samma process, fast i olika riktningar – om ett ämne kan absorbera kan det också emittera i samma utsträckning. Det viktiga i detta sammanhang är att denna egenskap är våglängdsberoende, och att en yta kan ha just de selektiva egenskaper som beskrivits ovan. Detta är egentligen inte alls något märkvärdigt: en vanlig gul yta är selektiv såtillvida att den absorberar alla våglängder utom de som våra ögon uppfattar som gula. De ”gula våglängderna” reflekterar den. Grunden för resonemanget är vidare att tre saker kan hända med strålning som träffar materia: absorption, transmission och reflektion. Men någon energi går inte förlorad, eftersom den i enlighet med energiprincipen alltid är konstant, och endast kan omvandlas. Summan av den återstående energin måste således vara 100 %. I många fall är transmissionen för strålningen noll (materialet är ogenomskinligt) vilket innebär att all strålningsenergi fördelas mellan reflektion och absorption. Den revolutionerande absorptionsbeläggningen
Vilka var då de filteregenskaper för det material som professorerna Harding, Collins och Yin letade efter för sin absorptionsbeläggning då de forskade vid universitet i Sydney? Svaret ges av resonemanget ovan:  Det skulle ha en reflektion nära noll och således nästan 100 % absorption för alla våglängder under 3 mikrometer.  Det skulle ha maximal reflektion (således emittans nära noll) för infraröd strålning vid den maxtemperatur på 200°C som kommer att gälla för komponenterna i det inre av vakuumröret som ska värma upp varmvattnet (heat pipe, eller U‐rör, samt de aluminiumflänsar som dessa är försedda med). Den värmestrålning som skulle komma från rörets varma inre skulle inte få stråla ut från rörets absorptionsbeläggning och ge värmeförluster. Värmeenergin skulle bevaras effektivt då den väl trängt in i röret. Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom •
Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected] I diagrammet nedan kan vi se den kurva R(ideal) som motsvarar det ideala materialet de letade efter. En brytpunkt går vid 3 mikrometer där ingen strålning reflekteras för kortare våglängder medan all strålning reflekteras för längre våglängder. R(ideal), den streckprickade linjen, visar en teoretisk beräkning där ingen strålning
reflekteras för våglängder som är kortare än 3 mikrometer, medan all strålning reflekteras
för längre våglängder. Den blå kurvan visar funktionen hos den beläggning som de tre
forskarna uppfann. Den röda kurvan visar den infallande strålningen från solen.
De tre forskarna kom som framgår av diagrammet mycket nära detta optimum! Hur kunde de lyckas? Vari låg hemligheten? Hur var det möjligt att hitta ett material med reflektansegenskaper som dess – var det inte nästan omöjligt? Jovisst var det det! De skulle aldrig ha kunnat hitta ett sånt material om de hoppades finna en metall eller substans med dessa egenskaper att applicera på glasrörets inre yta; sådana material existerar inte på vår jord. − De ick alltså uppfinna det! Professorerna Harding, Collins och Yin lyckades, men inte genom att använda ett material, utan genom att använda flera olika material. Efter oräkneliga tester och försök fick de så småningom fram en optimal beläggning som var sammansatt av flera lager av olika material: en kombination av keramiska och metallmaterial med aluminium, kväve, molybden och koppar som viktigaste komponenter, där varje lager hade sina speciella absorberande och reflekterande egenskaper. Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom •
Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected] Efter återkomsten till Kina koncentrerade sig professor Yin på att finna lösningar för att industrialisera processen att applicera specialbeläggningen på glasrörets yta. År 1985 lyckades han och hans forskarlag att utveckla en första cylindrisk magnetron‐sputtering maskin för att automatiskt applicera den selektiva absorptionsbeläggningen. Professor Yin demonstrerar ett av de
första exemplaren av vakuumrören med
den revolutionerande
antireflexbeläggningen för professor
Yang Chen Ning (Nobelpristagare i
Fysik 1957)
Mirakelröret som Harding, Collins och Yin skapade
Det yttre glasröret är gjort av högsta kvalitet Borosilicate glas, men även detta kommer oundvikligen att reflektera en liten del av strålningen och absorbera lite värme. − Mer ä n 90 % av strålningen kommer dock att nå fram till innerörets selektiva beläggning, där den först kommer i kontakt med antireflexlagren som kommer att låta nästan all strålningsenergi passera utan att reflektera eller stråla den utåt igen. 80 % av all strålning tränger vidare in i de underliggande absorberande lagren, vilket kommer att göra att temperaturen stiger väsentligt. − Om det inte skulle innas någon kylning genom att värmen överförs till någonting i rörets inre skulle Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom •
Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected] innerröret snabbt komma upp till en temperatur över 200ºC, och röret skulle inte svalna mer. Det är mycket effektivt isolerat genom sitt vakuum, så det blir inga konvektionsförluster − den enda kylningen ä r energin som strålar från en svart kropp på 200ºC. Men normalt kommer vi naturligtvis inte upp till den temperaturen: vi har kylning på insidan av innerröret, för vi vill ju producera varmvatten. Heat‐pipen är för detta ändamål försedd med en tunn aluminiumfläns som är pressad mot det inre rörets inre yta, och denna fläns leder värmen från det heta glasröret till heat‐
pipen. Heat‐pipens temperatur kommer således att öka, men den kyls av vattnet som cirkulerar i solfångarens samlingsrör. Därför kommer det alltid att vara ett enkelriktat värmeflöde från glasröret till heat‐pipen. Yttre glasrör
Inre glasrör
Vakuum
Heat-pipe
Selektivt skikt
Men kommer inte heat‐pipen alltid att åtminstone förlora en del av sin värmeenergi genom svartkroppsstrålning? Nej! Det blir inga värmeförluster genom strålning, eftersom beläggningens allra innersta lager består av koppar med mycket hög reflektans för temperaturer under 200ºC och heat‐
pipen kommer inte komma upp i mycket mer än 100ºC eftersom den avger värme till den cirkulerande vatten och glykolblandningen i samlingsröret. Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom •
Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected] Vakuumrör och plana solfångare
En jämförelse
Vakuumrörsolfångare Består av ett antal lufttomma och hermetiskt förseglade glasrör monterade i en ram. Konstruktionen minskar värmeförluster genom konvektion och konduktion, samtidigt som den skyddar kollektorn för väder och vind. Plana solfångare Är byggda med en kraftig ram i aluminium och konstruerade som en förseglad låda täckt av ett härdat glas som skydd för absorbtionsytan. För att minska värmeförlusten är de på baksidan försedda med en mineralullsisolering. Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom •
Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected] I vakuumrören överförs värmen genom en heat‐pipe. Någon vätska finns inte i kollek‐
torn vilket minskar risken för korrosion och nedsatt cirkulation. Vakuumrörkollektorn levereras i delar som lätt kan lyftas upp och monteras på hustaket. Om ett rör går sönder är det också enkelt att byta ut. Vakuumrörens form gör dem mindre känsliga för solstrålarnas infallsvinkel. Det ger en större frihet att placera solfångaren på det sätt som är enklast eller mest estetiskt tilltalande. Vakuumsolfångare har sina största fördelar i nordliga länder där temperaturen är förhållandevis lägre, dagarna kortare och solen står i lägre vinkel. Vakuumrören har mindre värmeförluster än plansolfångarna när det är kallt ute. Det gör att de ibland täcks av snö vintertid vilket kan sätta ned effekten. Vakuumsolfångare är i allmänhet något dyrare i inköp än plansolfångare, men den högre investeringskostnaden återbetalar sig i allmänhet snabbt på grund av lägre underhållskostnader och högre effektutbyte. I plansolfångarna cirkulerar vattnet i kollektorn. Det gör dem mer känsliga för läckage, korrosion, nedsatt cirkulation och frysskador. Plansolfångaren måste installeras som en enhet. Det gör den tung och ohanterlig. Om den blir skadad måste hela panelen plockas ned och repareras. För att ge full effekt måste plansolfångare placeras rakt mot söder och i rätt vinkel. Det innebär att placeringen är hårt styrd och att estetiska hänsyn ofta måste stå tillbaka för kravet på full effekt. Plansolfångare är effektivast i sydliga länder där risken för frost och den högt stående solen inte riskerar att minska systemets effektivitet. Plansolfångaren har större värmeförluster, vilket gör att snön smälter, men snörika vintrar förekommer det att de stora glasytorna spricker under snöns tyngd. Plansolfångare är vanligtvis billigare i inköp än vakuumsolfångare. Det lägre effektutbytet i kallare klimat och större underhållskostnader gör emellertid att de i det långa loppet är mindre kostnads‐effektiva än vakuumrör. Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom •
Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected] Energiproduktionen vid olika typer av solfångare
och area vid ett givet system
Omfattande tester har visat att vakuumrörsolfångaren är drygt 50 % mer effektiv än de plana solfångarna, räknat per ytenhet. En viktig orsak till detta är att vakuumrören har långt mindre värmeförluster än de plana solfångarna på grund av den oöverträffade isolering som vakuum ger. Ytterligare en anledning är att den selektiva beläggningen på vakuumrörens insida gör att de kan tillgodogöra sig den diffusa strålningen från solen även under molniga dagar. I diagrammet här nedan illustreras energiproduktionen i KWh/år i tre kombisystem med tre olika sorters solfångare där ackumulatortanken optimerats för 10 m² solfångararea. Som framgår ger systemet med vakuumrör ett väsentligt högre energiutbyte än de två systemen med plana solfångare. Källa: Peter Kovacs. Solvärmesystem för småhus. Kursmaterial för installatörer.
Formas 2003
Vakuumrörens höga effektivitet är också en följd av att de har en hög verkningsgrad även vid stora temperaturskillnader i förhållande till den omgivande luften. Det betyder att de inte bara kan producera varmvatten under heta sommardagar utan redan tidigt på våren och långt in på hösten då temperaturen är lägre. Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom •
Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected] Glasad med konvektionshinder
Källa: Peter Kovacs. Solvärmesystem
Kursmaterial för installatörer.
Formas 2003
för
småhus.
Vilket system du väljer är upp till dig. Den högre effektiviteten i förhållande till plansolfångarna gör att skillnaden i inköpspris snabbt äts upp, särskilt som priset på vakuumrören under senare år sjunkit starkt. 20 års praktiska erfarenheter och den enorma produktionen i Kina under de senaste årtiondena talar också för att den nya vakuumrörtekniken är tillförlitlig och har kommit för att stanna. Den stora vinsten är att solvärmen i det närmaste halverar eldningssäsongen! Något som inte bara innebär en stor ekonomisk besparing utan också bidrar till ökad bekvämlig‐
het, då eldning helt kan undvikas under sommarhalvåret. I allmänhet har också den som eldar med ved redan en acku‐
mulatortank. Det gör det enkelt och billigt att ansluta solvär‐
men, antingen direkt − eller genom att docka en mindre tank med solvärmeslinga till den tidigare. Pellets, flis och sol
Kombinationen solvärme och pellets eller flis är också bekväm och kostnadseffektiv. Systemet kan baseras på alltifrån större flis‐ eller pelletspannor med stora förråd och automatisk matning till mindre vattenkylda pelletskaminer, i direkt anslutning till bostadsutrymmet. I bägge fallen överförs värmen från flis‐ eller pelletseld‐
ningen till en ackumulatortank, till vilken även solvärmen ansluts. Värmepump och sol
Ytterligare ett alternativ är att kombinera solvärmen med en värmepump av något slag. Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom •
Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected] Här finns många olika varianter; alltifrån den enklaste luft‐
vattenvärmepump till värmepump för ytjordvärme och bergvärme. – I samtliga fall rör det sig om system som bygger på el, där värmefaktorn varierar. Genom att höja värmekällans temperatur med hjälp av solvärme är det därför möjligt att öka värmeutbytet i systemet som helhet. Värmefaktorn är ett mått på den energi som erhålls från pumpen i relation till tillförd elektrisk energi. – Värmefaktorn 3 betyder till exempel att tre gånger så mycket energi som tillförs med el kan omvandlas till värmeenergi. Det innebär att två tredjedelar av värmen erhålls ”gratis” ur värmekällan och motsvarande reduktion av din elräkning Ikaros Solar Energy AB, Hagforsvägen 9, 660 60 Molkom •
Tel 0553-105 35, Fax 0553-103 60, Mob: 0732 41 31 96 • E-post: [email protected]