태양열 온수기

Solar water heating
스페인에 설치된 태양열 집수기
시리즈의 일부
지속 가능한 에너지
A car drives past 4 wind turbines in a field, with more on the horizon
에너지 절약
재생 에너지
지속 가능한 수송

태양열 온수기(SWH)는 태양열 집열기를 사용하여 햇빛에 의해 물을 데우는 것입니다.다양한 기후와 위도에 따른 솔루션을 제공하기 위해 다양한 비용으로 다양한 구성을 이용할 수 있습니다.SWH는 주거용 및 일부 산업용 애플리케이션(예: 이스라엘)[1]에 널리 사용됩니다.

햇빛을 보는 컬렉터는 나중에 사용하기 위해 스토리지 시스템으로 통과하는 작동 유체를 가열합니다.SWH는 액티브(펌프)와 패시브(컨베이션드라이브)입니다.그들은 물만 사용하거나 물과 작동 유체 둘 다 사용한다.그것들은 직접 또는 광집광 거울을 통해 가열됩니다.독립적으로 작동하거나 전기 히터 또는 [2]가스 히터를 갖춘 하이브리드로 작동합니다.대규모 설비에서는 미러가 태양광을 작은 [original research?]집광기로 집중시킬 수 있습니다.

2017년 기준 전 세계 태양열 온수(SHW) 열용량은 472GW로 중국, 미국,[3] 터키가 시장을 장악하고 있다.바베이도스, 오스트리아, 키프로스, 이스라엘, 그리스가 [3]1인당 능력에서 선두다.

역사

1902년의 태양열 온수기 광고
1916년 3월 휴고 건스백의 표지에 실린 프랭크 슈만의 태양 엔진전기 실험자

미국의 태양열 수집가들에 대한 기록은 1900년 [4]이전으로 거슬러 올라가며 지붕에 검은색 페인트로 칠해진 탱크가 관련되어 있다.1896년 볼티모어의 클라렌스 켐프는 탱크를 나무 상자에 넣어 오늘날 알려진 최초의 '배치 온수기'를 만들었다.프랭크 슈만은 이집트 마아디에 세계 최초의 태양광 화력발전소를 건설했는데, 포물선 홈을 이용해 나일강에서 인접한 목화밭으로 분당 23,000리터의 물을 퍼올리는 45~52킬로와트(60~70마력)의 엔진에 전력을 공급했다.

1920년대 플로리다와 남부 캘리포니아에서 태양열 온수용 평판 수집기가 사용되었습니다.1960년 이후 북미에서 관심이 높아졌지만, 특히 1973년 석유 파동 이후 더욱 그러했다.

태양광은 호주, 캐나다, 중국, 독일, 인도, 이스라엘, 일본, 포르투갈, 루마니아, 스페인, 영국 및 미국에서 사용되고 있습니다.

지중해

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예루살렘 옥상의 수동형(서모시폰) 태양열 온수기

이스라엘, 키프로스 및 그리스는 주택의 [5]30-40%를 지원하는 태양열 온수 시스템 사용에 있어 1인당 선두주자이다.

평판 태양계는 이스라엘에서 완성되어 대규모로 사용되었습니다.1950년대에 연료 부족으로 인해 정부는 오후 10시에서 오전 6시 사이에 물을 데우는 것을 금지했다.Levi Yissar는 이스라엘 최초의 태양열 온수기 시제품을 만들었고 1953년 이스라엘 최초의 태양열 [6]온수기 상업 제조업체인 NerYah Company를 설립했다.1967년까지 인구의 20%가 태양열 온수기를 사용했다.1970년대 에너지 위기 이후 1980년 이스라엘은 모든 신규 주택(지붕 면적이 부족한 고층 타워 제외)에 태양열 [7]온수기를 설치하도록 요구하였다.그 결과, 이스라엘은 1인당 태양 에너지 사용의 세계 선두 주자가 되었으며, 가구의 85%가 태양 에너지 시스템을 사용하고 있으며,[9][10] 연간 200만 배럴(32만3 m)[8]의 석유를 절약할 수 있을 것으로 추산된다.

2005년 스페인은 세계 최초로 새로운 건물에 태양광 발전 설치를 요구했고, 2006년에는 (이스라엘에 이어) 두 번째 태양 온수 난방 시스템 설치를 요구하였다.[11]

아시아

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2007년 전 세계에서 새로운 태양열 온수 설비

1960년 이후 일본에서는 [4]시스템이 출시되었습니다.

호주는 1997년 [12][13][14]MRET를 시작으로 태양열에 대한 다양한 국가 및 주 및 규정을 가지고 있습니다.

태양열 온수 시스템은 중국에서 인기가 있으며, 기본 모델은 일정한 수집기 크기의 서양 국가보다 약 80% 낮은 1,500위안(235달러)부터 시작합니다.적어도 3천만 명의 중국 가정이 한 대를 가지고 있다.이러한 인기는 회색 하늘과 영하의 [15]온도에서도 히터가 작동할 수 있도록 해주는 효율적인 진공관 덕분이다.

설계 요건

태양열 온수 시스템의 유형, 복잡성 및 크기는 대부분 다음과 같이 결정됩니다.

  • 여름과 겨울 사이의 주변 온도와 일사량 변화
  • 주간-야간 주기 중 주변 온도 변화
  • 음용수 또는 수집기 액체가 과열 또는 동결될 가능성

시스템의 최소 요건은 일반적으로 시스템의 출력과 유입 수온이 가장 낮은 겨울철에 필요한 온수의 양 또는 온도에 따라 결정됩니다.시스템의 최대 출력은 시스템의 물이 너무 뜨거워지는 것을 방지하기 위해 결정됩니다.

프리즈 프로텍션

동결 보호 조치는 동결 전사액의 팽창으로 인한 시스템 손상을 방지합니다.배출 시스템은 펌프가 정지할 때 시스템에서 이송 오일을 배출합니다.많은 간접 시스템은 열 전달 유체에 부동액(예: 프로필렌 글리콜)을 사용합니다.

일부 직접 시스템에서는 동결이 예상될 때 수집기를 수동으로 배수할 수 있습니다.이 접근 방식은 동결이 자주 발생하지 않는 기후에서 일반적이지만 운영자에 의존하기 때문에 자동 시스템보다 신뢰성이 떨어질 수 있습니다.

세 번째 유형의 동결 방지는 동결 내성이며, 실리콘 고무로 만들어진 저압 수관은 동결 시 간단히 팽창합니다.그러한 수집가 중 한 명은 현재 유럽 솔라 키마크 인증을 받았다.

과열 방지

온수를 하루 또는 이틀 동안 사용하지 않을 경우 모든 비배수 시스템에서 수집기 및 저장 장치의 유체가 고온에 도달할 수 있습니다."드레인백" 시스템의 저장 탱크가 원하는 온도에 도달하면 펌프가 정지하고 가열 프로세스가 종료되어 저장 탱크가 과열되는 것을 방지합니다.

일부 활성 시스템은 햇빛이 거의 없는 시간이나 밤에 뜨거운 물을 수집기를 통해 순환시켜 열을 손실함으로써 저장 탱크의 물을 의도적으로 냉각시킵니다.이 방법은 직접 또는 열 저장소 배관에 가장 효과적이며, 진공 튜브 컬렉터를 사용하는 시스템에서는 단열이 우수하기 때문에 사실상 효과가 없습니다.모든 컬렉터 타입이 과열될 수 있습니다.고압 밀폐형 태양 열 시스템은 궁극적으로 온도 및 감압 밸브의 작동에 의존합니다.저압 개방 환기구 히터에는 보다 단순하고 신뢰할 수 있는 안전 제어 장치(일반적으로 개방 환기구)가 있습니다.

구조 및 작업

심플한 디자인에는 판금제의 평탄한 태양 흡수 장치가 있고 구리 열교환기 파이프와 어두운 색상에 부착되어 있는 단순한 유리 상판 단열 상자 또는 진공 상태의 유리 실린더로 둘러싸인 금속 튜브 세트가 포함됩니다.공업의 경우 포물선 거울은 햇빛을 튜브에 집중시킬 수 있다.열은 저탕 탱크에 저장된다.이[clarification needed][clarification needed] 탱크의 부피는 악천후를 보상하고 태양열 집열기의 최적 최종 온도가 일반적인 침지 또는 연소 히터보다 낮기 때문에 태양열 난방 시스템과 함께 더 커야 합니다.흡수기의 열 전달 유체(HTF)는 물일 수 있지만, 더 일반적으로(적어도 활성 시스템에서는) 부동액이 포함된 별도의 루프를 말하며, 부식 방지제는 열 교환기(일반적으로 탱크 내 구리 열 교환기 튜브의 코일)를 통해 열을 탱크로 전달합니다.구리는 높은 열 전도성, 대기 및 물의 부식 저항성, 납땜 및 기계적 강도에 의한 씰링 및 접합성 때문에 태양열 난방 및 냉각 시스템의 중요한 구성요소입니다.구리는 리시버 및 1차 회로(물탱크용 [16]파이프와 열 교환기)에 모두 사용됩니다.

유지보수가 적은 또 다른 개념은 '배수'입니다.부동액은 필요하지 않습니다. 대신 모든 배관은 물이 탱크로 다시 배출되도록 경사져 있습니다.탱크는 가압되지 않고 대기압에서 작동합니다.펌프가 꺼지는 즉시 흐름이 역전되어 파이프가 비워지고 동결될 수 있습니다.

태양열 온수 시스템의 작동 방식

주거용 태양열 설비는 두 가지 그룹으로 나뉩니다: 수동형 시스템(때로는 "컴팩트"라고 함)과 능동형 시스템(때로는 "펌프형"이라고 함).일반적으로 두 장치 모두 탱크 내의 물이 최소 온도 설정 이하로 떨어지면 작동되는 보조 에너지원(전기 가열 소자 또는 가스 또는 연료유 중앙 난방 시스템 연결)을 포함하고 있어 항상 뜨거운 물을 사용할 수 있습니다.태양열 온수 난방과 목재 스토브[17] 굴뚝의 백업 열을 조합하면 화석 연료나 전기로 태양열 온수 난방 시스템의 추가 열 필요 없이 더 서늘한 기후에서 1년 내내 온수 시스템이 작동할 수 있습니다.

태양열 온수 난방과 온수 중앙 난방 시스템을 함께 사용하면 태양열은 중앙 난방에 의해 가열된 탱크에 공급되는 예열 탱크에 집중되거나 태양열 열 교환기가 하부 발열 요소를 대체하고 상부 발열 요소가 남아 보충 열을 제공합니다.하지만, 중앙난방의 일차적 필요성은 야간과 태양열 이득이 낮은 겨울에 있다.따라서, 세탁과 목욕을 위한 태양열 온수 난방은 공급과 수요가 더 잘 일치하기 때문에 중앙 난방보다 더 나은 응용 프로그램인 경우가 많습니다.많은 기후에서 태양열 온수 시스템은 가정용 온수 에너지의 최대 85%를 제공할 수 있습니다.여기에는 가정용 비전기 집중형 태양열 시스템이 포함될 수 있습니다.많은 북유럽 국가에서는 가정용 난방 에너지의 15 - 25%를 제공하기 위해 온수와 공간 난방 시스템(태양광 콤비스템)이 결합되어 사용되고 있습니다.저장공간과 결합하면 대규모 태양열 난방은 지역 [18][19]난방용으로 연간 열 소비량의 50-97%를 제공할 수 있습니다.

열전달

직접적인

다이렉트 시스템: (A) 집전체 위에 탱크가 있는 패시브 CHS 시스템. (B) 태양광 발전 패널에 의해 구동되는 펌프 및 컨트롤러가 있는 액티브 시스템.

직접 또는 개방 루프 시스템은 음용수를 수집기를 통해 순환시킵니다.그것들은 비교적 싸다.단점은 다음과 같습니다.

  • 열 수출 펌프가 없는 한 과열 방지 기능이 거의 또는 전혀 없습니다.
  • 수집기가 내결성을 갖추지 않는 한 동결 방지 기능이 거의 또는 전혀 없습니다.
  • 이온 교환 유연제를 사용하지 않는 한, 수집기는 경수 영역에 눈금을 축적합니다.

동결 내구성 설계의 등장으로 SWH 시장은 추운 기후로 확대되었습니다.결빙 상태에서 물이 얼음으로 변하면서 이전 모델들이 손상되어 하나 이상의 부품이 파열되었습니다.

간접적인

간접 또는 폐쇄 루프 시스템은 열 교환기를 사용하여 "열 전달 유체"(HTF) 유체에서 음용수로 열을 전달합니다.가장 일반적인 HTF는 부동액/물 혼합물로, 일반적으로 무독성 프로필렌 글리콜을 사용합니다.패널을 가열하면 HTF는 열 교환기로 이동하며, 여기서 열이 음용수로 전달됩니다.간접 시스템은 동결 방지 및 일반적으로 과열 방지 기능을 제공합니다.

추진력

수동적인

패시브 시스템은 작동 유체를 순환시키기 위해 열 구동 대류 또는 히트 파이프에 의존합니다.패시브 시스템은 비용이 적게 들고 유지보수가 적거나 전혀 필요하지 않지만 효율성이 떨어집니다.과열과 동결이 주요 우려 사항이다.

활동적인

활성 시스템은 하나 이상의 펌프를 사용하여 물 및/또는 가열 오일을 순환시킵니다.이것에 의해, 보다 폭넓은 시스템 구성이 가능하게 됩니다.

펌핑 시스템은 구입과 운용에 더 많은 비용이 듭니다.그러나 보다 높은 효율로 작동하며 보다 쉽게 제어할 수 있습니다.

액티브 시스템에는 예비 전기 또는 가스 구동식 온수기와의 상호작용, 에너지 절약량 계산 및 로깅, 안전 기능, 원격 액세스 및 정보 표시 등의 기능이 있는 컨트롤러가 있습니다.

패시브 다이렉트 시스템

통합 수집기 스토리지(ICS) 시스템

통합 수집기 저장소(ICS 또는 배치 히터) 시스템은 저장 및 수집기 역할을 하는 탱크를 사용합니다.배치 히터는 얇은 직선형 탱크이며, 유리 면이 정오에 태양을 향합니다.이 장치는 플레이트 및 튜브 수집기보다 단순하고 비용이 저렴하지만 지붕에 설치할 경우(400–700파운드(180–320kg)의 물을 지탱하기 위해) 가새(breasing)가 필요할 수 있으며, 태양을 마주하는 면이 대부분 단열되지 않고 적당한 기후에서만 적합하기 때문에 밤에 상당한 열 손실을 겪을 수 있다.

대류열저장장치(CHS) 시스템은 ICS 시스템과 유사하지만 저장탱크와 컬렉터는 물리적으로 분리되어 있으며 둘 사이의 전송은 대류에 의해 구동됩니다.CHS 시스템은 일반적으로 표준 평판형 또는 진공 튜브 컬렉터를 사용합니다.대류가 제대로 작동하려면 저장 탱크가 수집기 위에 있어야 합니다.ICS 시스템 대비 CHS 시스템의 주요 장점은 저장 탱크를 완전히 절연할 수 있기 때문에 열 손실을 크게 방지할 수 있다는 것이다.패널은 저장 탱크 아래에 위치하기 때문에 냉수가 시스템의 가장 낮은 부분에 머무르기 때문에 열 손실이 대류를 일으키지 않습니다.

액티브 간접 시스템

가압 부동액 시스템은 동결 손상을 방지하기 위해 부동액(대부분 저독성 프로필렌 글리콜)과 물 혼합물을 HTF에 사용합니다.

부동액 시스템은 동결 손상을 방지하는 데 효과적이지만 다음과 같은 단점이 있습니다.

  • HTF가 너무 뜨거워지면 글리콜은 산으로 분해되고 동결 방지 기능을 제공하지 않으며 태양 루프의 구성 요소를 용해하기 시작합니다.
  • 배수 탱크가 없는 시스템은 저장 탱크의 온도에 관계없이 HTF를 순환시켜 HTF의 열화를 방지해야 합니다.탱크 내 온도가 과도하면 스케일 및 침전물이 증가하며, 템퍼링 밸브가 설치되지 않은 경우 심각한 화상을 입을 수 있으며, 보관에 사용될 경우 온도 조절기 고장 가능성이 있습니다.
  • 글리콜/물 HTF는 경험한 온도에 따라 3~8년마다 교체해야 합니다.
  • 일부 국가에서는 프로필렌 글리콜의 독성이 낮지만 더 비싼 이중 벽 열 교환기를 필요로 합니다.
  • HTF에는 동결을 방지하기 위해 글리콜이 함유되어 있지만 저온(예: 40°F(4°C) 미만)에서 저장 탱크의 뜨거운 물을 수집기로 순환시켜 상당한 열 손실을 일으킵니다.

드레인백 시스템은 HTF(일반적으로 순수한 물)가 펌프에 의해 구동되는 컬렉터를 순환하는 능동형 간접 시스템입니다.수집기 배관은 가압되지 않으며 조건부 또는 반조절된 공간에 포함된 개방된 배수 탱크를 포함합니다.HTF는 펌프가 작동하지 않는 한 드레인백 탱크에 남아 있다가 펌프가 꺼질 때 (컬렉터를 제외하고) 돌아갑니다.배관을 포함한 컬렉터 시스템은 중력을 통해 배수 탱크로 배출되어야 합니다.드레인백 시스템은 동결이나 과열의 영향을 받지 않습니다.펌프는 열 수집에 적합할 때만 작동하지만 HTF를 보호하지 않아 효율을 높이고 펌프 [20]비용을 절감합니다.

DIY(Do-It-Yourself)

태양열 온수 시스템의 계획은 [21]인터넷에서 구할 수 있다.DIY SWH 시스템은 보통 상업용 시스템보다 저렴하며 선진국과 개발도상국 [22]모두에서 사용됩니다.

비교

특성. ICS(배치) 서모시폰 액티브 다이렉트 액티브 간접 드레인백 버블 펌프
로프로파일-방해 없음 Green tickY Green tickY Green tickY Green tickY
경량 수집기 Green tickY Green tickY Green tickY Green tickY
혹한에도 견딜 수 있다 Green tickY Green tickY Green tickY Green tickY
유지보수가 적다 Green tickY Green tickY Green tickY Green tickY Green tickY
심플: 보조 제어 없음 Green tickY Green tickY Green tickY
기존 스토어에 대한 개조 가능성 Green tickY Green tickY Green tickY Green tickY
공간 절약: 추가 저장 탱크 없음 Green tickY Green tickY
SWH 시스템 비교출처:태양열 온수 난방 기본—homepower[23].com

구성 요소들

수집기

주요 기사:태양열 집열기

태양열 집열기는 태양으로부터 열을 흡수하고 유지하며 [24]액체를 가열하는 데 사용합니다.두 가지 중요한 물리적 원리는 태양열 집열기의 기술을 좌우합니다.

  • 모든 뜨거운 물체는 궁극적으로 전도, 대류 및 [25]방사선에 의한 열 손실 때문에 환경과 열 평형으로 돌아간다.효율성(사전 정의된 기간 동안 유지되는 열 에너지의 비율)은 수집기 표면으로부터의 열 손실과 직접 관련이 있습니다.대류와 복사는 열 손실의 가장 중요한 원천이다.단열재는 뜨거운 물체에 의한 열 손실을 늦추기 위해 사용됩니다.이것은 열역학 제2법칙('균형 효과')을 따릅니다.
  • 뜨거운 물체와 그 환경 사이의 온도차가 클수록 열 손실이 더 빠르다.열 손실은 주로 수집기 표면과 주변 온도 사이의 열 구배에 의해 제어됩니다.전도, 대류 및 방사선은 모두 큰 열[25] 구배(델타-t 효과)에서 더 빠르게 발생한다.
지붕에서 바라본 평판형 태양열 집열기

평판 솔라

평판 수집기는 유리가 태양을 향해 있는 '오븐'[26] 모양의 상자에 수집기를 넣는 아이디어의 연장선입니다.대부분의 평판 수집기는 상부와 하부에 헤더라고 불리는 두 개의 수평 파이프와 그것들을 연결하는 라이저라고 불리는 많은 작은 수직 파이프를 가지고 있습니다.라이저는 얇은 업소버 핀에 용접(또는 이와 유사하게 연결)되어 있습니다.열전달유체(물 또는 물/부동액 혼합)는 저탕탱크 또는 열교환기에서 집열기 하단 헤더로 펌핑되며, 라이저를 따라 올라가 흡수기 핀에서 열을 모은 후 집열기를 상단 헤더 밖으로 내보냅니다.서펜타인 평판 수집기는 이 "하프" 설계와 약간 다르며, 대신 수집기를 오르내리는 단일 파이프를 사용합니다.단, 배수가 제대로 되지 않기 때문에 배수로 시스템에서는 뱀 모양의 평판 수집기를 사용할 수 없습니다.

평판 수집기에 사용되는 유리의 유형은 거의 항상 저철 강화 유리입니다.이러한 유리는 깨지지 않고 상당한 우박을 견딜 수 있으며, 이것이 평판 수집기가 가장 내구성이 높은 수집기 유형으로 간주되는 이유 중 하나입니다.

유리를 입히지 않거나 성형된 컬렉터는 단열되지 않거나 유리 패널에 의해 물리적으로 보호되지 않는다는 점을 제외하고는 평판 컬렉터와 유사합니다.따라서 이러한 유형의 수집기는 수온이 주변 공기 온도를 초과할 경우 효율성이 훨씬 떨어집니다.수영장 난방 애플리케이션의 경우, 가열되는 물은 종종 주위 지붕 온도보다 더 차가우며, 이 온도에서는 단열재가 부족하여 [27]주변 환경에서 추가 열을 끌어낼 수 있습니다.

진공관

지붕의 진공관 태양열 온수기

진공관 수집기(ETC)는 평판에 내재된 열 [26]손실을 줄이는 방법입니다.대류에 의한 열손실은 진공과 교차할 수 없기 때문에 효율적인 절연 메커니즘을 형성하여 [28]집열관 내부에 열을 유지합니다.일반적으로 두 개의 평평한 유리 시트는 진공에 견딜 만큼 강하지 않기 때문에, 두 개의 동심관 사이에 진공이 생성됩니다.일반적으로 ETC의 물 배관은 (파이프를 가열하기 위해) 태양으로부터의 열을 허용하지만 열 손실을 제한하는 진공에 의해 분리된 두 개의 동심원 유리 튜브로 둘러싸여 있습니다.내측 튜브는 서멀 [29]업소버로 코팅되어 있습니다.진공 수명은 수집기에 따라 5년에서 15년까지 다양합니다.

평판 수집기는 일반적으로 햇빛이 완전히 드는 조건에서 ETC보다 효율적입니다.단, 탁하거나 매우 추운 [26]환경에서는 평판 수집기의 에너지 출력이 ETC보다 약간 더 감소합니다.대부분의 ETC는 골프공 크기의 입자를 얻을 수 없는 우박에 취약한 아닐 유리 재질로 제작됩니다.ETC는 녹색을 띠는 '코크 글라스'로 만든 것이 더 강하고 진공이 손실될 가능성은 낮지만 투명도가 낮아 효율성이 다소 떨어진다.ETC는 관 모양으로 [30]인해 낮은 각도로 하루 종일 태양으로부터 에너지를 모을 수 있다.

펌프

PV 펌프

액티브 시스템에 전력을 공급하는 한 가지 방법은 태양광 발전(PV) 패널을 사용하는 것입니다.적절한 펌프 성능과 수명을 보장하려면 (DC) 펌프와 PV 패널이 적절히 일치해야 합니다.PV 전원 펌프는 야간에는 작동하지 않지만, 컨트롤러는 해가 비었지만 집수기 물이 충분히 뜨겁지 않을 때 펌프가 작동하지 않도록 해야 합니다.

PV 펌프의 장점은 다음과 같습니다.

  • 설치 및 유지보수가 간단함
  • 초과 PV 출력은 가정용 전기 사용을 위해 사용하거나 그리드에 다시 설치할 수 있다.
  • 생활공간[31] 제습 가능
  • 정전 시 작동 가능
  • 그리드 구동 펌프 사용으로 인한 탄소 소비 방지

버블 펌프

버블 펌프 시스템의 버블 분리기

버블 펌프(온천 펌프라고도 함)는 평판 및 진공 튜브 시스템에 적합합니다.버블 펌프 시스템에서는 폐쇄형 HTF 회로에 압력이 감소하여 태양이 액체를 가열할 때 저온에서 끓게 됩니다.증기 기포가 간헐천을 형성하여 상승 흐름을 일으킨다.기포는 뜨거운 오일과 분리되고 회로에서 가장 높은 지점에서 응축되며, 그 후 오일은 [32][33][34]오일 레벨의 차이로 인해 열 교환기를 향해 아래로 흐릅니다.HTF는 일반적으로 70°C에서 열 교환기에 도달하고 50°C에서 순환 펌프로 돌아갑니다.펌핑은 일반적으로 약 50°C에서 시작되며 태양이 떠오르면서 평형에 도달할 때까지 증가한다.

컨트롤러

차동제어장치는 태양열 집열기에서 나오는 물과 열교환기 부근의 저장탱크 내의 물의 온도차를 감지한다.Collector에 있는 물이 탱크에 있는 물보다 8~10°C 정도 따뜻할 때 펌프를 시동하고 온도차가 3~5°C에 이르면 멈춥니다.이렇게 하면 펌프가 작동할 때 저장된 물이 항상 열을 얻고 펌프의 과도한 온/오프 사이클을 방지할 수 있습니다(직접 시스템에서는 열 교환기가 없기 때문에 4°C 정도의 차이로 펌프를 트리거할 수 있습니다).

탱크

가장 간단한 수집기는 햇빛이 잘 드는 곳에 물을 채운 금속 탱크입니다.햇볕이 탱크를 데운다.이것이 첫 번째 시스템이 작동하는 [4]방식입니다.이 설정은 평형 효과로 인해 비효율적이다. 탱크와 물의 난방이 시작되자마자 얻은 열은 환경으로 손실되고 탱크 내의 물이 주변 온도에 도달할 때까지 계속된다.문제는 열 손실을 제한하는 것입니다.

  • 저장 탱크는 수집기보다 낮게 배치될 수 있으므로 시스템 설계의 자유도가 높아지고 기존 저장 탱크를 사용할 수 있습니다.
  • 저장 탱크는 보이지 않게 숨길 수 있습니다.
  • 저장 탱크는 조건부 또는 반조건부 공간에 배치하여 열 손실을 줄일 수 있습니다.
  • 배수 탱크를 사용할 수 있습니다.

절연 탱크

ICS 또는 배치 수집기는 [26][35]탱크를 열로 단열하여 열 손실을 줄입니다.이는 태양으로부터 [36]온 열이 수조에 도달할 수 있도록 탱크를 유리 뚜껑이 있는 박스에 감싸는 방식으로 이루어집니다.상자의 다른 벽은 단열되어 있어 대류와 [37]방사선이 감소합니다.상자 안쪽에 반사면이 있을 수도 있습니다.이는 탱크에서 탱크로 손실된 열을 반사합니다.간단히 말해 ICS 태양열 온수기는 태양으로부터 나오는 열과 탱크 내 물의 열을 유지하는 일종의 '오븐'으로 둘러싸인 물탱크로 간주할 수 있다.상자를 사용한다고 해서 탱크에서 환경으로의 열 손실이 제거되는 것은 아니지만, 이 손실을 크게 줄일 수 있습니다.

표준 ICS 수집기에는 수집기의 효율성을 크게 제한하는 특성이 있습니다. 즉, 표면 대 체적 비율이 [38]작습니다.태양으로부터 탱크가 흡수할 수 있는 열의 양은 태양에 직접 노출되는 탱크의 표면에 따라 크게 달라지기 때문에 표면 크기는 물이 태양에 의해 가열될 수 있는 정도를 정의한다.ICS 컬렉터의 탱크와 같은 원통형 물체는 본질적으로 표면 대 체적비가 작습니다.수집가들은 물을 효율적으로 데우기 위해 이 비율을 높이려고 합니다.이 기본 설계의 변형으로는 소형 물 용기와 진공 유리 튜브 기술을 결합한 수집기가 있습니다. 이 기술은 진공 튜브 배치(ETB) [26]수집기로 알려진 ICS 시스템의 한 종류입니다.

적용들

진공관

ETSC는 겨울철에 다른 태양열 집열기보다 더 유용할 수 있다.ETC는 제약 및 의약품, 종이, 가죽 및 섬유와 같은 산업에서 난방 및 냉방 용도로 사용할 수 있으며 주택, 병원, 요양원, 호텔, 수영장 등에도 사용할 수 있습니다.

ETC는 태양열 온수, 수영장, 에어컨 및 태양열 조리기의 경우 중온에서 고온까지 다양한 온도에서 작동할 수 있습니다.

ETC는 작동 온도 범위(최대 200°C(392°F)가 높아 증기 발생, 열 엔진 및 태양열 건조와 같은 산업 애플리케이션에 적합합니다.

수영장

수영장 난방에는 플로팅 풀 커버 시스템 및 별도의 STC가 사용됩니다.

풀 커버 시스템은 솔리드 시트나 플로팅 디스크 등 단열재로 기능하여 열 손실을 줄입니다.많은 열 손실이 증발을 통해 발생하며, 커버를 사용하면 증발이 느려집니다.

비음용 수영장 물용 STC는 플라스틱으로 제조되는 경우가 많습니다.수영장 물은 염소로 인해 약간의 부식성이 있습니다.물은 기존 풀 필터 또는 보조 펌프를 사용하여 패널을 통해 순환됩니다.온화한 환경에서는 직접 시스템으로서 무광택 플라스틱 컬렉터가 더 효율적입니다.춥거나 바람이 많이 부는 환경에서는 간접 구성의 진공 튜브 또는 평판을 열 교환기와 함께 사용합니다.이렇게 하면 부식이 줄어듭니다.밸브를 돌리거나 펌프를 작동시켜 물을 패널 또는 열교환기로 유도하기 위해 매우 간단한 차동 온도 컨트롤러를 사용합니다.수영장 물이 필요한 온도에 도달하면 전환기 밸브를 사용하여 [39]물을 가열하지 않고 수영장으로 직접 되돌립니다.많은 시스템은 배수 시스템으로 구성되어 있으며, 물 펌프를 끄면 물이 풀로 배출됩니다.

컬렉터 패널은 보통 가까운 지붕에 설치하거나 기울어진 랙에 접지하여 설치합니다.공기와 물의 온도 차이가 낮기 때문에 패널은 종종 집전체 또는 무유리 평판 집전체입니다.필요한 패널 영역에 대한 간단한 기본 규칙은 풀 [39]표면적의 50%입니다.이는 여름 시즌에만 수영장을 사용하는 지역을 대상으로 합니다.추운 기후에서 기존의 야외 수영장에 태양열 집열기를 추가하면 일반적으로 수영장의 쾌적한 사용을 수개월 연장할 수 있으며, 단열 수영장 커버를 사용할 [27]경우 더 늘어날 수 있습니다.100% 적용 범위로 크기가 지정되면 대부분의 태양열 온수 시스템은 바람이 노출된 풀의 경우 4°C에서 태양열 [40]풀 담요로 일관되게 덮인 바람막이 풀의 경우 10°C까지 풀장을 가열할 수 있다.

능동형 태양 에너지 시스템 분석 프로그램을 사용하여 태양 풀 난방 시스템을 구축하기 전에 최적화할 수 있다.

에너지 생산

지붕에 온수를 공급하는 패널이 있는 캘리포니아의 한 빨래방

태양열 온수 가열 시스템에 의해 전달되는 열의 양은 주로 특정 장소(절연)에서 태양이 전달되는 열의 양에 따라 달라집니다.열대지방에서는 일사량이 상대적으로 높을 수 있다(예: 하루 7kWh/m2). 반면 온대지역에서는 하루 3.2kWh/m이다2.같은 위도에서도 국지적인 날씨 패턴과 구름의 양에 따라 평균 일사량이 위치에 따라 크게 다를 수 있습니다.계산기는 현장의 [41][42][43]일산을 추정하는 데 사용할 수 있습니다.

아래 표는 집열기의 흡수체 면적2 약 2m를 포함하는 태양열 온수 시스템에서 예상할 수 있는 사양과 에너지를 대략적으로 나타낸 표이며, 2개의 진공 튜브와 3개의 평판 태양열 온수 시스템을 보여줍니다.이러한 데이터로부터 산출된 인증 정보 또는 수치가 사용됩니다.아래 두 행은 열대 및 온대 시나리오의 일일 에너지 생산량(kWh/day) 추정치를 나타냅니다.이러한 추정치는 물을 주변 온도보다 50°C 높게 가열하기 위한 것입니다.

대부분의 태양열 온수 시스템에서 에너지 출력은 수집기 표면적에 [44]따라 선형으로 확장됩니다.

5개의 태양 열 시스템의 일일 에너지 생산량(kWth.h).
테크놀로지 평판 평판 평판 기타 기타
배열 다이렉트 액티브 서모시폰 간접 액티브 간접 액티브 다이렉트 액티브
전체 크기(m2) 2.49 1.98 1.87 2.85 2.97
흡수기 크기(m2) 2.21 1.98 1.72 2.85 2.96
최대 효율 0.68 0.74 0.61 0.57 0.46
에너지 생산량(kWh/일):
– 일사 3.2 kWh/m2/일(온도)
– 예: 스위스 취리히 		5.3 3.9 3.3 4.8 4.0
– 일사량 6.5 kWh2/m/일(열대)
– 예: Phoenix, 미국 		11.2 8.8 7.1 9.9 8.4

이 수치는 위의 수집기 간에 상당히 유사하며, 2m2 흡수기가 있는 수집기를 사용할 경우 온대 기후에서는 하루에 약 4kWh, 열대 기후에서는 약 8kWh를 산출한다.온대 시나리오에서는 약 17°C까지 200L의 물을 가열하기에 충분하다.열대 시나리오에서 등가 가열은 약 33°C가 될 것이다.많은 서모시폰 시스템은 동등한 활성 시스템과 동등한 에너지 출력을 가집니다.진공 튜브 수집기의 효율은 평판 수집기보다 다소 낮습니다. 왜냐하면 흡수기는 튜브보다 폭이 좁고 튜브 사이에 공간이 있기 때문에 전체 수집기 면적의 비활성 비율이 상당히 높기 때문입니다.일부 비교[45] 방법에서는 위의 표에서처럼 점유된 공간이 아닌 실제 흡수기 면적을 기준으로 진공 튜브 수집기의 효율성을 계산합니다.높은 온도에서는 효율이 저하됩니다.

용용 。

동결 보호가 필요하지 않은 햇볕이 잘 드는 따뜻한 장소에서는 ICS(배치형) 태양열 온수기를 사용하면 비용 효율이 [37]높습니다.위도가 높은 곳에서는 추운 날씨에 대한 설계 요건이 시스템의 복잡성과 비용을 증가시킵니다.이로 인해 초기 비용이 증가하지만 라이프 사이클 비용은 증가하지 않습니다.따라서 가장 큰 단일 고려사항은 태양열 온수 시스템의 [46]초기 재정 지출이다.이 비용을 상쇄하려면 몇 [47]년이 걸릴 수 있습니다.투자 회수 기간은 온화한 환경에서 [48]더 길다.태양광은 무료이기 때문에 운영비가 적다.위도가 높은 곳에서는 태양열 히터가 낮은 일사량으로 인해 덜 효과적일 수 있으며, 더 큰 또는 이중 가열 [48]시스템이 필요할 수 있다.일부 국가에서는 정부 인센티브가 상당할 수 있습니다.

요인음수)은 다음과 같습니다.

  • 태양열 온수기 가격(복잡한 시스템이 더 비싸다)
  • 치치비
  • 에
  • kWh당를 들어 또는
  • 연료
  • 및 정부
  • " " " " " " (「」)
  • 유지 비용

회수 기간은 지역의 태양, 수집가의 서리 방지 요구, 가정용 온수 사용 등으로 인해 크게 달라질 수 있습니다.예를 들어 플로리다 중부와 남부에서는 투자 회수 기간이 미국 차트에 [49]표시된 12.6년이 아니라 7년 이하일 수 있습니다.

SWH 및 기간( 데이터 ), 및 비용 (2010년 데이터 사용),
★★ 비용 스시 。 비용 효효 비 effective 와 electric / 월 ★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★」 회수 기간
BRL 를 br br br br br br br 2500[50] 0 2500 0.25 50 4.2
공화국 14000 15개[51] 11900 0.9 180 5.5
5000[52] 사십[53] 3000 0.18[54] 36 6.9
★★★★ 4000[55] 오십[56] 2000 0.1[57] 20 8.3
★★★ 5000[58] 30개[59] 3500 0.1158[60] 23.16 12.6
★★★ GBP 4800[61] 0 4800 0.11[62] 22 18.2

투자회수기간은 일손이 더 크기 때문에 더 짧습니다.그러나 온대 지역에서도 태양열 온수 난방은 비용 효율이 높다.태양광 발전 시스템의 투자 회수 기간은 역사적으로 훨씬 더 [48]길었다.보완/백업 시스템이 [47]필요하지 않은 경우 비용과 투자 회수 기간이 단축됩니다.따라서 이러한 시스템의 투자 회수 기간을 연장할 수 있습니다.

호주는 국가 재생 에너지 [53]목표를 기반으로 재생 에너지 크레딧 시스템을 운영하고 있다.

토론토 솔라네이버스 이니셔티브는 태양열 온수기 [63]구입을 위한 보조금을 제공한다.

사이클

풋프린트

활성 SWH 시스템의 전원은 시스템이 작동 중에 대기 중 탄소에 기여하는 정도를 결정합니다.메인 전기를 사용하여 패널을 통해 유체를 펌핑하는 능동형 태양열 시스템을 '저탄소 태양열'이라고 합니다.대부분의 시스템에서 펌핑은 에너지 절약량을 약 8%, 태양광의 탄소 절약량은 약 20%[64] 감소시킵니다.그러나 저전력 펌프는 [65][66]1-20W에서 작동합니다.태양열 집열기 패널이 하루에 4kWh를 공급하고 12시간의 맑은 날 동안 총 6시간 동안 주전원에서 간헐적으로 펌프를 가동한다고 가정하면 이러한 펌프의 잠재적인 부정적인 영향은 발생하는 열의 약 3%로 줄일 수 있습니다.

그러나 PV 동력 능동형 태양열 시스템은 일반적으로 물을 순환시키기 위해 5~30W PV 패널과 소형 저출력 다이어프램 펌프 또는 원심 펌프를 사용한다.이것에 의해, 운용상의 카본과 에너지 풋 프린트가 삭감됩니다.

대체 비전기 펌핑 시스템은 열팽창 및 액체 및 가스의 상변화를 사용할 수 있습니다.

에너지

인정된 표준은 견고하고 정량적인 수명 주기 평가(LCA)를 제공하기 위해 사용될 수 있다.LCA는 장비의 원자재 취득, 제조, 운송, 사용, 정비 및 폐기에 따른 재정 및 환경 비용을 고려한다.요소는 다음과 같습니다.

  • CO2 및 기타 배출량

에너지 소비량의 경우 약 60%가 탱크에 들어가고 30%는 집전기를[67] 향해 들어갑니다(이 경우 서모시폰 평판).이탈리아에서는 [68]SWH 기기 생산에 약 11기가 줄의 전기가 사용되며, 약 35%가 탱크 쪽으로, 나머지 35%는 수집기로 사용되고 있습니다.에너지와 관련된 주요 영향은 배출이다.제조에 사용된 에너지는 사용 후 처음 2~3년 이내에 회수됩니다(남유럽).

반면 영국의 에너지 투자 회수 기간은 2년에 불과하다고 보고되고 있습니다.이 수치는 기존 저수장, PV 펌프, 동결 내구성 및 2.8 평방미터의 조리개를 개조한 직접 시스템용 수치입니다.비교를 위해 동일한 [69]비교 연구에 따르면 PV 설치는 에너지 회수에 도달하는 데 약 5년이 걸렸습니다.

CO 배출량 측면에서2 절약되는 배출량의 상당 부분은 태양을 보충하기 위해 가스나 전기를 사용하는 정도에 따라 달라집니다.그리스의 [67]Eco-indicator 99 포인트 시스템을 기준(즉, 평균 유럽 거주자의 연간 환경 부하)으로 사용하면 순수 가스 구동 시스템은 태양 시스템보다 배출량이 적을 수 있다.이 계산은 태양계가 가정의 온수 요구량의 약 절반을 생산한다고 가정한다.그러나 천연 가스 연료[70] 사이클에서 발생하는 메탄(CH4) 배출이 CO의 온실2 효과를 감소시키기 때문에, 가스 구동 시스템에서 발생하는 순 온실가스 배출량2(COE)은 태양열 난방기보다 훨씬 큽니다. 특히 보조 전기가 무탄소 [citation needed]발전에서 나오는 경우에는 더욱 그렇습니다.

이탈리아의 테스트 시스템은 제조, 사용 및 폐기의 모든 구성 요소를 고려했을 때 약 700kg의 CO를2 배출했습니다.열전달 유체(글리콜 기반)를 교체했을 때 유지보수는 배출 비용이 많이 드는 활동으로 확인되었습니다.그러나 배기 비용은 [68]기기 사용 후 약 2년 이내에 회수되었다.

호주에서도 라이프 사이클 배출이 회수되었다.테스트된 SWH 시스템은 전기 온수기 충격의 약 20%, 가스 [47]온수기의 절반 정도를 차지했습니다.

앨런 외 연구진(qv)은 낮은 충격의 냉동 내구성 태양열 온수 시스템을 분석하면서 생산 CO 영향이2 337kg이라고 보고했다. 이는 Ardente 외 연구진(qv) 연구에서 보고된 환경 영향의 약 절반이다.

및

  • SWH를 사용하다
  • 매일 소비되는 온수의 양은 교환하고 가열해야 합니다.태양열 전용 시스템에서 저장소의 높은 부분을 소비하는 것은 저장소의 온도 변화를 의미한다.탱크가 클수록 일교차가 작아집니다.
  • SWH 시스템은 수집기와 탱크 [67]비용 면에서 상당한 규모의 경제성을 제공합니다.따라서 가장 경제적으로 효율적인 척도가 애플리케이션의 난방 요구량 100%를 충족합니다.
  • 직접 시스템(및 열 교환기를 사용하는 일부 간접 시스템)은 기존 상점에 개조할 수 있습니다.
  • 시스템 이점을 모두 얻으려면 장비 구성 요소를 절연해야 합니다.효율적인 단열재를 설치하면 열 손실을 크게 줄일 수 있습니다.
  • 가장 효율적인 PV 펌프는 낮은 조도 수준에서 천천히 시작하므로 콜렉터가 차가운 동안 불필요한 순환이 소량 발생할 수 있습니다.컨트롤러는 저장된 온수가 이러한 냉각 효과로부터 발생하는 것을 방지해야 합니다.
  • 진공 튜브 컬렉터 어레이는 튜브 또는 히트 파이프를 제거/추가하여 조정할 수 있으므로 설치 중/후에 맞춤화할 수 있습니다.
  • 위도 45도 이상에서는 지붕에 설치된 태양광 수집기가 벽면에 설치된 수집기를 능가하는 경향이 있습니다.그러나 겨울에 사용 에너지가 증가하면 여름에 사용되지 않는(과다한) 에너지 손실을 상쇄할 수 있기 때문에 벽에 설치된 가파른 수집기 배열은 때때로 더 유용한 에너지를 생산할 수 있습니다.

표준

★★★

  • EN 806: 사람이 먹을 수 있는 물을 운반하는 건물 내 설치 사양.★★★★★★ 。
  • EN 1717: 식수 설비에서의 음용수 오염 방지 및 역류에 의한 오염을 방지하기 위한 장치의 일반적인 요구 사항.
  • EN 60335: 가 en en en en en en en en en en en ( 2 ~21 ~ 21 )
  • UNE 94002:2005 une une 。열 수요의 계산 방법.

★★★

  • OG-300: OG-300 태양열 온수 시스템 [71]인증.

  • )법
  • ( 요금
  • ( 요금 2010년
  • 2001년 재생 에너지(전기) 규제
  • 2001년 신재생에너지(전기) 규정 - 태양열 온수기 및 공기원 열펌프 온수기의 STC 계산방법
  • 2010년 재생에너지(전기) 개정(경과규정) 규칙
  • 2009년 재생에너지(전기) 개정(경과규정) 규칙

대규모 재생 에너지 목표 및 소규모 재생 에너지 계획의 모든 관련 참여자는 위 [72]법률을 준수해야 한다.

전 세계 사용

남아프리카 코가 지방 자치체 저비용 주택에 설치되는 태양열 온수 시스템
전 세계 태양열을 사용하는 상위 국가(GWth)[11][73][74][75][76][77][78]
# 나라 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
1 중국 55.5 67.9 84.0 105.0 101.5 117.6 - - 262.3[79]
– EU 11.2 13.5 15.5 20.0 22.8 23.5 25.6 29.7 31.4
2 미국 1.6 1.8 1.7 2.0 14.4 15.3 - - 16.8[79]
3 독일 – – – 7.8 8.9 9.8 10.5 11.4 12.1
4 터키 5.7 6.6 7.1 7.5 8.4 9.3 - - 11.0[79]
5 오스트레일리아 1.2 1.3 1.2 1.3 5.0 5.8 - - 5.8[79]
6 브라질 1.6 2.2 2.5 2.4 3.7 4.3 - - 6.7[79]
7 일본 5.0 4.7 4.9 4.1 4.3 4.0 - - 3.2[79]
8 오스트리아 – – – 2.5 3.0 3.2 2.8 3.4 3.5
9 그리스 – – – 2.7 2.9 2.9 2.9 2.9 2.9
10 이스라엘 3.3 3.8 3.5 2.6 2.8 2.9 - - 2.9[79]
세계th(GW) 88 105 126 149 172 196 - - -

유럽 연합

유럽 연합의 [80][81][82]태양열th 난방(MW)
# 나라 2008 2009 2010년[75] 2011 2012 2013
1 독일 7,766 9,036 9,831 10,496 11,416 12,055
2 오스트리아 2,268 3,031 3,227 2,792 3,448 3,538
3 그리스 2,708 2,853 2,855 2,861 2,885 2,915
4 이탈리아 1,124 1,410 1,753 2,152 2,380 2,590
5 스페인 988 1,306 1,543 1,659 2,075 2,238
6 프랑스 1,137 1,287 1,470 1,277 1,691 1,802
7 폴란드 254 357 459 637 848 1,040
8 포르투갈 223 395 526 547 677 717
9 체코 공화국 116 148 216 265 625 681
10 스위스 416 538 627 - - -
11 네덜란드 254 285 313 332 605 616
12 덴마크 293 339 379 409 499 550
13 키프로스 485 490 491 499 486 476
14 영국 270 333 374 460 455 475
15 벨기에 188 204 230 226 334 374
16 스웨덴 202 217 227 236 337 342
17 아일랜드 52 85 106 111 177 196
18 슬로베니아 96 111 116 123 142 148
19 헝가리 18 59 105 120 125 137
20 슬로바키아 67 73 84 100 108 113
21 루마니아* 66 80 73 74 93 110
22 불가리아* 22 56 74 81 58 59
23 몰타* 25 29 32 36 34 35
24 핀란드* 18 20 23 23 30 33
25 룩셈부르크* 16 19 22 25 23 27
26 에스토니아* 1 1 1 3 10 12
27 라트비아* 1 1 1 3 10 12
28 리투아니아* 1 2 2 3 6 8
총 EU27+SW(GWth) 19,08 21,60 23.49 25.55 29.66 31.39
* = 추정, = 프랑스 전체

「 」를 참조해 주세요.

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레퍼런스

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외부 링크