Solar Water Heater with Temperature Control for 90˚C Water Requirement
Abstract
Solen er den rikeste energikilden på jorden, og på én enkelt time kan den gi energi tilsvarende menneskehetens årlige kraftbehov. Solinnstrålingens tetthet varierer rundt kloden, og de høyeste verdiene er å finne ved ekvator. Den forente republikken Tanzania befinner seg øst på det afrikanske kontinentet, nær ekvator, og har betydelig årlig solinnstråling. I tillegg er Tanzania et av verdens fattigste land, og billig solenergi bør utnyttes. Haydom Lutheran Hospital (HLH), som ligger i Tanzania, krever varmt vann til klesvask og dusjing. For sterilisering trenger sykehuset 90˚C vann, en temperatur høyere enn hva vanlige varmtvannsberedere gir. Sykehuset benytter i dag en dieseldrevet dampkjel for å varme opp vannet, og det er ønskelig å erstatte det med et soldrevet anlegg.
Dette arbeidet tar sikte på å undersøke muligheten for å produsere 90˚C vann med et solfangersystem. Et nytt system er designet for å møte kravene til sykehuset. Systemet er basert på to forskjellige vakuumrør solfangersystemer: et med absorbatoren plassert i kobberrør og et med direkte strøm av vann fra lagringstanken ned i solfangerrørene. Disse to systemene blir studert i rapporten, i tillegg til en mer generell litteratur-gjennomgang av prinsippene for varmeoverføring, varmetap, temperaturkontroll og solinnstråling. Rapporten ser også på solcelleanlegg og termisk energilagring, da varmtvannet skal lagres over natten og brukes om morgenen. Dette er derimot bare kort diskutert da det ikke er en del av målsettingen for studien. Solceller er også et mulig å bruke i et hjelpeenergisystem, som kan brukes til oppvarming når solinnstrålingen er utilstrekkelig.
Det designede systemet består av vakuumrør med absorbatoren i kobberrør direkte festet inn i en vanntank. Dette gjør det mulig å varme opp vannet kontinuerlig uten sirkulasjonsutstyr som for eksempel en pumpe. Dette gir lavere utgifter, mindre vedlikehold og mulighet for høyere effektivitet. Systemet viste tilfredsstillende resultater i å varme opp vannet til kokepunktet på 100˚C.
Siden sykehuset krever vann på 90˚C, er en termostatventil og en ekstern vannbeholder med kaldt vann inkludert i designet. Termostatventilen, som i utgangspunktet er designet for bruk i bilmotorer og dermed lett tilgjengelig, åpner ved en temperatur på omtrent 92˚C. Den opprinnelige ideen var at ventilen skulle slippe gjennom kaldt vann og dermed balansere temperaturen. Testing viste derimot at ventilen ikke åpnet når den var i kontakt med kaldt vann, og den ble flyttet inne i hoved vannreservoaret med et tilfestet langt kobberrør. Dette designet viste tilfredsstillende resultater og det kalde vannet ble varmet opp inne i kobberrøret før det ble ført gjennom ventilen. Det eksperimentelle arbeidet viste at temperaturen stabiliserte seg på 90˚C.
Det designede, og testede systemet, er en liten modell av hva sykehuset krever. Systemet må derfor skaleres opp. Den nødvendige vannmengden indikerer at systemet må deles opp i mindre delsystemer. Delsystemene må derimot ikke bli unødvendig små, da varmetapet øker med den totale overflaten. Delsystemer, så store som mulig, bør plasseres i henhold til tilgjengelig areal. PV-kraft kan brukes til toppoppvarming, men energien må lagres i batterier fra dager med tilstrekkelig solinnstråling.
Denne rapportens eksperimentelle arbeid og beregninger indikerer at det er mulig å installere et soldrevet system på Haydom, som vil gi 90˚C vann. Systemet må imidlertid skaleres riktig, og et hjelpesystem må inkluderes. The sun is the most abundant energy source on earth, and in one single hour, it can provide the humanity’s yearly power demand. The density of solar irradiation varies around the globe, and the highest values are to be found at the equator. The United Republic of Tanzania is located east in the African continent, close to the equator, and has significant yearly solar irradiation. In addition, Tanzania is one of the poorest countries in the world, and cheap solar energy should be utilized. The Haydom Lutheran Hospital (HLH), located in Tanzania, requires hot water for laundry and showering. For sterilization, the hospital needs 90˚C water, a temperature higher than what conventional water heaters provide. Today, the hospital utilizes a diesel-fueled steam boiler to heat the water, and it is desired to replace it with a solar-powered system.
This thesis aims to investigate the possibility of producing 90˚C water with a solar water heater (SWH) system. A new system is designed to meet the requirements of the hospital. The system is based on two different evacuated tube collector (ETC) systems: the heat pipe ETC and the direct flow ETC. These two collector systems are addressed in the report, in addition to a more general literature review on the principles of heat transfer, heat loss, temperature control, and solar irradiation. The report also looks into PV (photovoltaic) systems and thermal energy storage, as the hot water is to be stored overnight and used in the morning. However, this is only briefly discussed as it is not a part of the objective. PV-cells is also a possible to use in an auxiliary energy system, which can be used for top heating when the solar irradiation is insufficient.
The designed system comprises heat pipe evacuated tubes directly inserted into a water storage reservoir. This makes it possible to continuously heat the water without circulation equipment such as a pump. This results in lower expenses, less maintenance, and the possibility of higher efficiencies. The system demonstrated satisfactory results in heating the water to its boiling point of 100˚C.
As the hospital requires water at 90˚C, a thermostatic valve and an external water container with cold water are included in the design. The thermostatic valve, which is initially designed for use in car engines and is readily available, opens at a temperature of about 92˚C. The initial idea was for the valve to let through cold water and, by that, balance the temperature. However, testing showed that the valve did not open when in contact with cold water, and it was relocated inside the main water reservoir with an attached long copper pipe. This design revealed satisfactory results as the cold water heated inside the copper pipe before it was inserted through the valve. The experimental work showed that the temperature stabilized at 90˚C.
The designed and tested system is a small-scale model of what the hospital requires. The system, therefore, has to be scaled up. The required quantity of water indicates that the system needs to be split into smaller subsystems. However, the subsystems must not get unnecessarily small, as the heat loss increases with the total surface area. Subsystems as large as possible should be placed according to the available area. PV power may be used for top heating, but the energy has to be stored in batteries from days with sufficient solar irradiation.
This report's experimental work and calculations indicate that installing a solar-powered system at Haydom, which will provide 90˚C water, is possible. However, the system has to be appropriately scaled, and an auxiliary system needs to be included.