Solarthermie

Hauptseminar Experimentalphysik 2005/2006
Physikalische Grundlagen der Energieumwandlung
Solarthermie
Vortragende: S. Kurzweg
Betreuer: Dr. C. Meier
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Inhalt
1 Einleitung
2 Sonnenenergie
2.1 Der Sonnenaufbau
2.2 Die Solarkonstante
2.3 Die Erdumlaufbahn
2.4 Terrestrische Sonnenstrahlung
3 Kollektoren
3.1 Prinzip des Solarkollektors
3.2 Eigenschaften des Absorbers
3.3 Eigenschaften der transparenten Abdeckung
3.4 Niedertemperaturkollektoren
3.5 Hochtemperaturkollektoren
4 Solare Systeme
4.1 Kollektoranlage
4.2 Speicher
4.3 Wärmetauscher
4.4 Brauchwasseranlagen
4.5 Heizungsanlagen
4.6 Großanlagen
5 Solarthermische Elektrizitätserzeugung
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1. Einleitung
Die Energiekrise im Jahr 1973 / 74 rückte das Problem der zukünftigen
Energieversorgung in das Bewusstsein der Bevölkerung.
Der gegenwärtige Energiebedarf wird hauptsächlich durch fossile Energieträger, wie
Öl, Gas und Kohle gedeckt, also durch in mehreren Millionen Jahren gespeicherte
Sonnenenergie.
www.rwz.de
Dieser Vorrat an gespeicherter Energie wird in absehbarer Zeit erschöpft sein und es
stellt sich die Frage, wie man diesem Problem begegnen kann.
Es eröffnen sich zwei Wege, zum einen die Einsparung von Energie und zum
anderen die Erschließung neuer Energiequellen, wie Geothermie, Kernfusion,
Nutzung der Windenergie, sowie Nutzung der Solarenergie.
Betrachtet man die Entwicklung der Bevölkerungszahlen , so wird deutlich, dass
allein durch Einsparungen das zukünftige Problem nicht gelöst werden kann.
www.learn-line.nrw.de
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Eine stark anwachsende Bevölkerungszahl wird zu einem weiteren Anstieg des
Energiebedarfs führen.
Die Nutzung der Solarenergie erscheint vielversprechend und bietet verschiedene
Anwendungsmöglichkeiten, selbst in Gebieten geringerer Sonneneinstrahlung.
Die Umwandlung der Solarenergie in nutzbare Energieformen geschieht auf
verschiedene Arten.
Eine Möglichkeit bietet die Photovoltaik, wobei die Energieumwandlung über den
fotoelektrischen Effekt in Solarzellen erfolgt.
Die zweite Möglichkeit, die Solarthermie, beruht auf Umwandlung der Solarenergie in
thermische Energie mittels Solarkollektoren.
Letzteres wird Thema dieses Hauptseminars sein.
2. Sonnenenergie
2.1 Sonnenaufbau
Die Sonne besteht zu 62 % aus Helium, zu 36 % aus Wasserstoff und aus einem
geringen Anteil aus „Metallen“.
In der Astronomie bezeichnet man alle Elemente, die schwerer als Helium sind, als
Metall.
Im Zentrum der Sonne herrschen ein Druck von 22 ⋅10 15 Pa und Temperaturen bis
14,6 ⋅10 6 K.
Die Energie der Sonne entsteht durch Kernfusionsprozesse, zum einen über die pp –
Reaktion und zum anderen über den CNO – Zyklus.
Nach dem Standard – Sonnenmodell ist der CNO – Zyklus nur mit 3 % an der
Energieumwandlung beteiligt.
Die pp – Reaktion findet bei Temperaturen im Bereich von 5 bis 15 · 10 6 K statt und
liefert 26,2 MeV pro entstandenem Heliumkern, wobei 0,51 MeV von den dabei
entstehenden Neutrinos abgeführt werden.
Der CNO – Zyklus setzt erst bei Temperaturen zwischen 15 und 30 ·10 6 K ein, wobei
26, 69 MeV freigesetzt werden, davon 1,69 MeV in Form von Neutrinos.
Kohlenstoff dient in diesem Zyklus als Katalysator.
www.mps.mpg.de
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Die Sonne verliert 4⋅109 kg Masse pro Sekunde.
Die durch diese Prozesse entstandene elektromagnetische Strahlung wird über
dauernde Absorptions- und Emissionsprozesse nach außen transportiert, wobei die
mittlere freie Weglänge für ein Photon zwischen zwei Absorptionsprozessen geringer
als 1mm ist. Die Strahlung benötigt 10 7 Jahre, um an die Oberfläche zu gelangen.
In der kühleren äußeren Schicht der Sonne, in der Wasserstoffkonvektionszone,
erfolgt der Energietransport über Konvektion, heiße Gasmassen steigen auf,
während sich kühleres Gas absenkt.
Die Konvektionszone ist das Übergangsgebiet zwischen dem vollständig ionisierten
inneren der Sonne und dem neutralen Wasserstoff außen. Die aufsteigenden
ionisierten Wasserstoffatome rekombinieren, sie nehmen Elektronen auf und geben
dabei Energie ab. Dies ergibt eine zusätzliche Energiequelle für die
Konvektionszellen, so dass sie relativ warm bleiben.
Die eigentliche Oberfläche bildet die Photosphäre mit einer effektiven Temperatur
von 5780 K, aus ihr stammt fast das gesamte sichtbare Licht. Die Strahlung der
unteren Schichten kann die Sonne nicht direkt verlassen.
Dichte und Temperatur der Photosphäre nehmen mit zunehmender Höhe ab.
Oberhalb der Photosphäre liegt die Chromosphäre, deren Temperatur zunächst mit
der Höhe abnimmt, dann jedoch von 4500 K auf 10 5 K in der Nähe der Korona
ansteigt, während die Dichte weiter abnimmt.
Die Korona ist sehr stark verdünnt und besitzt nur noch eine Dichte von 10 -18 g/cm3 ,
die Temperatur erreicht jedoch Werte im Bereich 10 6 K.
Auf diese Temperatur kann man aus Emissionslinien ungewöhnlich hoch ionisierter
Atome, wie zum Beispiel Fe XIV und Ca XV, schließen.
Eine Theorie erklärt diese Aufheizung der Chromosphäre und der Korona durch aus
der Konvektionszone aufsteigende Druckwellen.
Die in einer Druckwelle enthaltene Energie ist proportional zur Dichte und zum
Geschwindigkeitsquadrat der Teilchen. In der Photosphäre kann sich die Druckwelle
ungehindert ausbreiten, da die Geschwindigkeit unterhalb der Schallgeschwindigkeit
liegt. Da die Dichte in größeren Höhen immer stärker abnimmt steigt die
Geschwindigkeit auf Überschallgeschwindigkeit an und es entsteht eine Stoßwelle,
die ihre Energie an das durchlaufene Medium abgibt und es somit erhitzt.
Trotz geringem Energiestrom erhitzen sich Chromosphäre und Korona aufgrund der
durch geringe Dichte bedingten ineffektiven Strahlung.
Die Sonnenatmosphäre zeigt Gebiete verstärkter Aktivität.
Diese Aktivität ist das Ergebnis zeitlich variierender Magnetfelder, die durch die
differentielle Rotation entstehen.
Die gesamte Sonnenemission schwankt jedoch nur um ± 1,5 %.
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2.2 Die Solarkonstante
Die Solarkonstante ist definiert als diejenige Energie, die pro Zeiteinheit auf eine
oberhalb der Erdatmosphäre senkrecht zur Sonnenstrahlung orientierte
Einheitsfläche trifft.
1,496·10 11m
Lange Zeit musste die Solarkonstante über Messungen auf der Erde bestimmt
werden, wobei die Strahlung beim Durchgang durch die Atmosphäre teilweise
absorbiert und gestreut wird.
Neuere Messungen mit Hilfe von Flugzeugen, Ballonen und Weltraumfahrzeugen,
ermöglichen eine genauere Bestimmung der Solarkonstanten, außerhalb eines
größten Teils der Atmosphäre oder außerhalb der gesamten Atmosphäre.
Die Zusammenfassung der neueren Messungen ergibt einen Wert von
I0 = 1,367 kW/m2 .
Die gesamte von der Sonne abgestrahlte Leistung lässt sich aus der Solarkonstanten
bestimmen.
Eine mit dem Radius von 1 AE, entsprechend dem mittleren Abstand der Erde zur
Sonne, um die Sonne gelegte Kugel besitzt eine Oberfläche von 2,81 ·10 23 m2.
Durch jeden Quadratmeter dieser Oberfläche fließt eine Leistung von 1,36 kW.
Somit ergibt sich die Gesamtleistung zu L = 3,8·10 26 W, dieser Wert wird in der
Astronomie mit Leuchtkraft bezeichnet.
2.3 Erdumlaufbahn
Die Entfernungsänderungen zwischen Sonne und Erde und die Neigung von 23,5°
der Erdachse zur Umlaufbahn führen zu Schwankungen des extraterrestrischen
Energieflusses von ± 3 % .
Der Abstand der Erde zur Sonne variiert, der minimale Abstand beträgt 0,983 AE am
3.Januar, der maximale Abstand 1,017 AE am 4. Juli.
Die Ursache für die Jahreszeiten ergibt sich aus der Neigung der Erdachse.
Die Achsenrichtung ist im Verlauf des Jahres unveränderlich, so schwankt die
Deklination δ der Sonne während eines Jahres zwischen + 23, 5° zur Sonnenwende
und – 23,5° zur Wintersonnenwende.
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Zur Zeit des Frühlingsanfangs und Herbstanfangs beträgt die Deklination δ = 0°, das
heißt, die Äquatorebene geht durch den Sonnenmittelpunkt.
20/21.03
δ = 0°
1 AE
21/22.06
δ = + 23,5°
1,017 AE
0,983 AE
Aphel
Perihel
21/22.12
δ = - 23,5°
22/23.09
δ = 0°
2.4 Terrestrische Sonnenstrahlung
Man kann die Sonne zur quantitativen Betrachtung näherungsweise als schwarzen
Strahler betrachten.
Mit Hilfe des Stefan – Boltzmannschen – Gesetzes und des Planckschen
Strahlungsgesetzes lässt sich über die Leuchtkraft und der Oberfläche der Sonne
eine Aussage über die Oberflächentemperatur machen.
Für die pro Flächeneinheit eines schwarzen Körpers abgestrahlte Leistung gilt:
P=σT4
Mit der bekannten Oberfläche der Sonne 4πR2 und der Leuchtkraft L ergibt sich P zu:
P= (L/(4π R2), somit folgt für die Temperatur Teff= (L/(4π R2σ)1/4
Für die Temperatur der Sonne ergibt sich ein Wert von 5780 K, dies entspricht der
Temperatur, die ein schwarzer Körper gleicher Oberfläche haben müsste, um
integriert über alle Wellenlängen ebensoviel Leistung abzustrahlen, wie die Sonne.
Beim Durchgang der Strahlung durch die Atmosphäre wird die direkte Strahlung
durch Streuung und Absorption geschwächt.
Etwa 34 % der Strahlung gelangt über Rückstreuung in der Atmosphäre und durch
Reflexion wieder in das Weltall, dieser Anteil wird mit Albedo bezeichnet.
Die Absorption in der Atmosphäre geschieht durch Wasser (H2O),
Kohlendioxid (CO2), Ozon (O3) und Sauerstoff (O2).
Bei Streuung liegen zwei Mechanismen vor.
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Ist die Wellenlänge im Vergleich zum Partikel groß, so liegt Rayleigh – Streuung vor.
Die Wahrscheinlichkeit einer Streuung wächst proportional zu 1/λ4, somit würde
kurzwellige Strahlung stärker gestreut als langwellige. Dies erklärt auch die
Blaufärbung des Himmels.
Der zweite Mechanismus ist die sogenannte Mie – Streuung, sie liegt dann vor, wenn
die Wellenlänge gegenüber der Größe des Partikels klein ist.
Für den Aspekt der terrestrischen Nutzung der Strahlung ist der Wellenlängenbereich
von 0,29 bis 2,5 µm interessant, dies ist der Anteil der Strahlung, der, trotz
Schwächung durch Absorption und Streuung, durch die Atmosphäre gelangt.
www.iundm.de
Als Globalstrahlung bezeichnet man die auf eine horizontale Fläche am Erdboden
auftreffende Strahlung. Sie setzt sich aus der direkten Sonnenstrahlung und der
diffusen Strahlung zusammen.
Diffuse Strahlung entsteht durch Streuung und kann nicht gebündelt werden. Sie ist
nicht gleichmäßig über alle Raumwinkel verteilt.
Diese Strahlung ist stark abhängig vom Sonnenstand und der Wolkenbildung.
www.oekotec-online.de
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www.deutschesmuseum.de
Die äquatornahen Gebiete verzeichnen eine höhere Sonneneinstrahlung.
In den Breiten von 30° Nord bis 30° Süd beträgt die tägliche Sonneneinstrahlung 5
bis 7 kWh/m2.
In den Gebieten zwischen 30 und 45° Nord und Süd beträgt diese noch 3 bis 5
kWh/m2, in der Nähe der Pole nur noch 2 bis 3 kWh/m2.
Trotz niedriger Einstrahlung in Deutschland, ca. 2,5 bis 3 kWh/m2, kann die
Sonnenenergie solarthermisch genutzt werden, vorwiegend zur
Brauchwassererwärmung und Raumheizung.
In sonnigeren Ländern reicht die Energie aus, um solarthermische Kraftwerke zur
Elektrizitätserzeugung zu nutzen.
3 Kollektoren
3.1Prinzip des Solarkollektors
In der Solarthermie wird Strahlungsenergie in Wärme umgewandelt und dadurch
nutzbar gemacht.
Die Aufgabe der Strahlungsumwandlung übernimmt der Absorber, eine
wärmeleitende, gut absorbierende Fläche, an der flüssigkeitsführende Rohre
befestigt sind.
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Globalstrahlung
Wärmeträgerfluid
Die auf den Absorber auftreffende Strahlung wird an der Oberfläche in Wärme
umgewandelt und über Wärmeleitung an das kühlere Wärmeträgermedium
abgegeben. Wie viel Wärme an das Wärmeträgermedium abgegeben werden kann,
ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Absorbermaterials und der
Strömungsform des Fluids. Der Wärmeübergang in das Fluid ist umso besser, je
schneller das Fluid fließt. Ab einer gewissen Geschwindigkeit ist die Strömung nicht
mehr laminar, sondern turbulent.
Der Wärmeübergang verbessert sich mit der Geschwindigkeit, wohingegen sich die
erforderliche Pumpenleistung erhöht.
Auf der Absorberoberfläche treten wenig optische Verluste auf, der größte Anteil der
auftreffenden Strahlung wird absorbiert.
Die Wärmeverluste sind jedoch sehr hoch. Es treten zum einen Verluste durch
Wärmeabstrahlung des Absorbers auf, da jeder warme bzw. heiße Körper
langwellige Strahlung an die Umgebung emittiert, zum anderen durch Konvektion.
Zusätzlich zur natürlichen Konvektion, treten Verluste durch erzwungene Konvektion
auf, also durch Windeinwirkung.
Außerdem treten Verluste durch Wärmeleitung des Absorbers nach außen auf.
Wärmestrahlung
Konvektion
Wärmeleitung
Wärmeleitung
Konvektion
Wärmestrahlung
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Um die hohen Wärmeverluste des Absorbers zu reduzieren, wird der Absorber in ein
Gehäuse integriert, das sowohl an den Seiten, als auch an der Rückwand gut
wärmeisoliert ist. Dadurch vermindern sich die Verluste durch Wärmeleitung als auch
die durch Konvektion an der Rückseite.
Zur Reduktion der vorderseitigen Verluste wird das Gehäuse durch eine für
Sonnenstrahlung transparente Abdeckung verschlossen, so dass keine Verluste
durch erzwungene Konvektion entstehen können.
Die Abdeckung ist jedoch nicht transparent für langwellige Wärmestrahlung. Die vom
Absorber abgestrahlte Wärme wird somit von der Abdeckung absorbiert. Die
Abdeckung erwärmt sich und strahlt ihrerseits Wärme ab, die zum großen Teil wieder
vom Absorber absorbiert werden kann. Es entsteht ein Treibhauseffekt zwischen
Absorber und Abdeckung.
Wärmestrahlung
Konvektion
Wärmestrahlung
Wärmeleitung
Durch die transparente Abdeckung entstehen jedoch vermehrt optische Verluste.
Diese sind abhängig vom Transmissionsgrad der Abdeckung. Die auftreffende
Strahlung kann reflektiert und zum Teil absorbiert werden, ein großer Anteil wird
jedoch transmittiert und kann so vom Absorber absorbiert werden, wobei am
Absorber selbst auch wieder optische Verluste durch Reflexion entstehen können .
Die vom Absorber reflektierte Strahlung muss nicht unbedingt nach außen
transmittiert werden, Mehrfachreflexionen sind möglich.
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Globalstrahlung
Reflexion
Transmission
θ
Mehrfachreflexionen
Der Kollektorwirkungsgrad ist definiert, als das Verhältnis der Nutzleistung Qn zur
einfallenden Strahlung Gk in der Kollektorebene A.
Für den Kollektorwirkungsgrad gilt somit η=Qn/GkA.
Die Nutzleistung ergibt sich aus dem optischen Wirkungsgrad, welcher beschreibt,
welcher Anteil der durch eine Bezugsfläche A fallenden Strahlung G vom Absorber in
Wärme Q verwandelt wird (η0=Q/GA), abzüglich der entstehenden Wärmeverluste,
welche stark von der Temperaturdifferenz abhängen.
Aus: Thermische Solarenergienutzung an Gebäuden, A. Marko, P. Braun, Springer Verlag
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3.2 Eigenschaften des Absorbers
Ein Absorber soll einen möglichst großen Anteil der Sonnenstrahlung absorbieren, im
thermischen Bereich des Spektrums jedoch wenig abstrahlen.
Der Absorptionsgrad α soll im Wellenlängenbereich 0,3 bis 2,5 µm der einfallenden
Strahlung möglichst groß sein und der Emissionsgrad ε soll im Bereich 2,5 bis 50 µm
möglichst tief sein.
Um dies zu erreichen, werden selektive Schichten auf die gut wärmeleitenden
Absorberflächen aufgebracht, da die natürliche Selektivität der Materialien nicht
ausreicht.
Die selektiven Schichten werden über galvanotechnische Verfahren auf die
Absorberflächen aufgebracht, was einerseits schwer entsorgbare Abfälle mit sich
bringt und zum anderen einen gewissen energetischen Aufwand darstellt.
Einige Beispiele für selektive Schichten sind nickelpigmentiertes Aluminiumoxid,
Schwarznickel NiS – ZnS, welches auf Materialien wie Nickel, Kupfer oder Eisen
aufgebracht wird, Schwarzchrom CrO auf Nickel aufgebracht, Eisenoxid auf Stahl
und Kupferoxid, welches auf Nickel, Kupfer der Aluminium aufgebracht werden kann.
Eine weitere Möglichkeit selektive Schichten zu erzeugen besteht darin,
Interferenzschichten aufzubringen, dies ist jedoch sehr kostenintensiv.
Bewährt haben sich Schwarzchromschichten, die mit einer Nickelzwischenschicht auf
Kupfer aufgebracht werden und nickelpigmentiertes Aluminiumoxid.
Vorteile des nickelpigmentierten Aluminiumoxids sind kostengünstigere Herstellung
und weniger Giftstoffe bei der Herstellung, allerdings ist diese Schicht sehr
feuchtigkeitsanfällig.
Es wird jedoch weiterhin an neuen Schichten gearbeitet, im Gespräch sind
beispielsweise gesputterte Cermits.
Aus: Baustein Sonnenkollektor, A.Kalt, C.F. Müller Verlag
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3.3 Eigenschaften der transparenten Abdeckung
Die Abdeckung sollte die auftreffende Sonnenstrahlung möglichst gut transmittieren,
sollte für langwellige Wärmestrahlung aber undurchlässig sein.
Eine gute mechanische Stabilität und Korrosionsfestigkeit sind Vorraussetzung.
Geeignete Materialien sind Gläser und Kunststoffe.
Kunststofffolien besitzen einen höheren Transmissionsfaktor als Gläser und sind
leichter. Zudem sind sie unempfindlich gegenüber Stoßbelastungen. Nachteilig ist
die größere Transparenz für Wärmestrahlung und dass sie nicht bei hohen
Temperaturen eingesetzt werden können. Zudem sind sie weicher als Glas, haben
somit eine wesentlich geringere Lebensdauer.
Der Nachteil eines Glases liegt darin, dass sie stoßempfindlich sind, besitzen aber
dennoch die bessere mechanische Stabilität.
So werden Gläser im allgemeinen bevorzugt.
Wird ein Kollektor jedoch mit zwei Abdeckungen ausgestattet, so bietet es sich an,
für die innere Abdeckung eine Kunststofffolie, aufgrund des besseren
Transmissionsgrades und des geringeren Gewichts zu verwenden.
Aus: Thermische Solarenergienutzung an Gebäuden, A. Marko, P. Braun, Springer Verlag
3.4 Niedertemperaturkollektoren
Zu den Niedertemperaturkollektoren zählen solche mit einer Arbeitstemperatur bis
maximal 120°C, dazu zählen Flachkollektoren, Röhrenkollektoren, sowie
Luftkollektoren.
Flachkollektoren
Flachkollektoren besitzen keine Vorrichtung zur Konzentration der auftreffenden
Strahlung.
Es existieren Flachkollektoren in Modulbauweise und, zur Verbesserung des
Erscheinungsbildes, Flachkollektoren zur Dachintegration, sie sind jeweils als
belüftete oder teilevakuierte Kollektoren erhältlich. Eine Edelgasbefüllung ist
ebenfalls möglich.
Die Modulgröße reicht von 1,5 bis 8 m2. Ein Vakuum ist daher nicht möglich, da der
Druck auf eine solche Fläche zu groß werden würde.
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www.hea.de
Die Absorber eines Flachkollektors werden häufig mit Schwarzchrom oder
nickelpigmentiertem Aluminiumoxid beschichtet, wobei letzteres aufgrund geringerer
Kosten und geringerem Anfall von Schadstoffen bevorzugt wird.
Für die Abdeckung wird meist Glas verwendet, um Beschädigungen durch
Hagelschlag oder Schneelast zu vermeiden.
Bei den Isolationsmaterialen im Kollektorgehäuse ist darauf zu achten, dass das
Material bei hohen Temperaturen ausgasungsfest ist. Häufig wird
aluminiumkaschierte Mineralwolle benutzt, um Ausgasung zu vermeiden. An der
Abdeckung kondensierte Stoffe verschlechtern den Transmissionsgrad.
Das Gehäuse eines Flachkollektors kann aus verschiedenen Materialien bestehen,
wie Holz, Aluminium, Edelstahl oder Kunststoff.
Röhrenkollektoren
Röhrenkollektoren bestehen immer aus einer Gruppe
von Glasröhren. Der Vorteil einer Glasröhre liegt darin,
dass sie den Belastungen eines Vakuums standhalten kann.
Bei Rohren mit kleinen Durchmessern wird konventionelles
Glas verarbeitet, bei größeren Durchmessern Borosilikat .
www.solarstromer.de
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Es existieren „ Heat – Pipe “- Röhrenkollektoren und
direktdurchströmte Kollektoren.
Bei einem Heat – Pipe – Röhrenkollektor wird die Wärme
mittels eines thermodynamischen Kreislaufs aus der Röhre gefördert,
bevor sie vom Wärmeträger übernommen wird.
Bei der Erwärmung des Absorbers wird das Arbeitsmedium, Wasser oder Alkohol,
verdampft, steigt bis zum Kondensator außerhalb der Vakuumröhre und fließt nach
Übergabe der Wärme durch Kondensation wieder in den Kollektor zurück.
Der Kollektor muss dabei eine Neigung von 20° aufweisen.
Der Vorteil dieses Kollektors liegt darin, dass die Stillstandstemperatur beschränkt
werden kann. Je nach Medium und Druck ist der gesamte Inhalt bei einer
bestimmten Temperatur verdampft und befindet sich somit im Kondensator.
Die Stillstandtemperatur kann somit auf 130 bis 150 ° C beschränkt werden.
In der Haustechnik liegt die Begrenzung bei 100°C.
Der direktdurchströmte Röhrenkollektor besitzt entweder einen
U – Form – Rohr Absorber oder einen Koaxial – Rohr Absorber.
U – Form - Rohr
Koaxial - Rohr
Der Nachteil eines U – Form – Rohr Absorbers liegt darin, dass zwei Durchtritte
durch die Vakuumröhre vorhanden sein müssen. Es entstehen somit zusätzliche
Verluste durch Wärmeleitung. Trotzdem besitzt er einen etwas höheren
Wirkungsgrad.
Der Koaxial – Rohr Absorber ist günstiger in der Herstellung.
www.schott.com
Die Wärmeverluste eines Röhrenkollektors werden durch Wärmestrahlung bestimmt,
da Konvektion aufgrund des Vakuums nicht stattfinden kann.
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Als selektive Schicht kommt daher nur nickelpigmentiertes Aluminiumoxid in Frage,
da andere Beschichtungsmaterialen einen zu hohen Emissionsgrad aufweisen. Es
stehen neuere Beschichtungstypen zur Verfügung, die einen Emissionsgrad unter
0,04 aufweisen.
Weitere Verluste des Röhrenkollektors entstehen über die Rückseite des Absorbers.
Luftkollektoren
Luftkollektoren sind ähnlich aufgebaut, wie Flachkollektoren. Das
Wärmeträgermedium ist in diesem Fall Luft.
Es existieren zwei Ausführungsarten des Absorbers, der Matrixabsorber und der
umströmte Absorber.
Der Matrixabsorber besteht aus porösem Material, wie zum Beispiel Stahlwolle. Die
Luft nimmt beim durchströmen den Absorbers die Wärme auf.
Ein umströmter Absorber besteht aus undurchlässigem Material.
Luftkollektor, Matrixabsorber
Matrixabsorber
Umströmter Flachabsorber
Absorber
Der Wirkungsgrad eines Luftkollektors ist geringer als bei flüssigkeitsdurchströmten
Kollektoren, was auf die Stoffeigenschaften der Luft zurückzuführen ist.
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3.5 Hochtemperaturkollektoren
Werden Temperaturen über 100°C benötigt, so werden entweder Spiegel oder
Linsen zur Konzentration herangezogen.
Beispielsweise besitzen Röhrenkollektoren einen relativ schlechten optischen
Wirkungsgrad, bezieht man ihn auf die Bruttofläche. Dies kann durch Anbringen
rückseitiger Reflektoren behoben werden.
Die Konzentration a ergibt sich aus dem Verhältnis des Querschnitts des
ursprünglichen Strahlungsbündels A1 und der Absorptionsfläche A2.
A=A1/A2
Werden Konzentratoren benutzt, die eindimensional konzentrieren, wie
beispielsweise ein Zylinderspiegel, so muss der Kollektor der Sonne nur in eine
Richtung nachgeführt werden. Mit Hilfe solcher Konzentratoren sind
Konzentrationswerte bis 200 zu erreichen.
Bei zweidimensional konzentrierenden Kollektoren ist eine Nachführung in der
Horizontalen und in der Ost – West – Richtung erforderlich, diese können
Konzentrationswerte bis 40000 erreichen.
Wichtige Konzentratoren sind zylinderförmige Parabolspiegel, rotationssymmetrische
Parabolspiegel, zylinderförmige und rotationssymmetrische sphärische Spiegel,
Fresnelspiegel und – linsen , Kollektive von Planspiegeln und zusammengesetzte
Parabolspiegel.
www.physik.uni-muenchen.de
4 Solare Systeme
Um die erzeugte Wärme nutzen zu können sind neben einem Kollektor noch weitere
Systembausteine erforderlich.
Elemente der Haustechnik müssen den Anforderungen der Solartechnik angepasst
werden, zum einem muss die Rücklauftemperatur niedrig gehalten werden, zum
anderen können sehr hohe Temperaturen bei einem Stillstand auftreten.
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Der Kollektorkreislauf ist in unseren Breiten stets vom Brauchwasserkreislauf
getrennt, da dem Kollektorkreislauf ein Frostschutzmittel beigemischt werden muss.
In der Regel besteht eine Solaranlage aus einer Kollektoranlage, einem
Wärmespeicher, einer Hilfswärmequelle und dem Wärmeverbraucher.
Die Dimensionierung ist von vielen komplexen und individuellen Faktoren abhängig.
Es gibt immer mehrere annähernd optimale Lösungen für eine individuelle
Solaranlage. Eine Hilfestellung bei der Planung bieten Simulationsprogramme, die
von den Herstellern angeboten werden. In einer solchen Simulation fließen Faktoren
ein wie beispielsweise die Größe des Haushalts und der Wärmeverbrauch, die
Kollektorart, Dachrichtung und – Neigung, sowie klimatische Daten des gewählten
Standorts.
4.1 Kollektoranlage
Eine Kollektoranlage besteht aus einem oder mehreren Kollektoren, je nach
Verwendungszweck und Art der Kollektoren.
In der Regel ist ein Kollektor nicht ausreichend.
Es existieren zwei Möglichkeiten, die Parallelschaltung oder die Serienschaltung der
Kollektoren.
Die Parallelschaltung ist die optimale Lösung, um die benötigte Pumpenleistung
gering zu halten. Der Nachteil einer Parallelschaltung besteht darin, dass sich
unterschiedliche Druckdifferenzen zwischen dem Ein- und Auslauf ergeben, dadurch
entstehen unterschiedliche Durchflüsse für einzelne Kollektoren und damit
unterschiedliche Absorbertemperaturen.
Eine Serienschaltung von mehr als drei Kollektoren oder Gruppen ist nicht günstig.
Bei der Verrohrung ist darauf zu achten, dass der Rohrdurchmesser dem
Kollektorfeld angeglichen wird, sonst ist eine zu hohe Pumpenleistung erforderlich
und eine große träge Masse erschwert die Regelung.
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4.2 Speicher
Kaltwasser
Warmwasser
Solareinlauf
Solarrücklauf
Da das Strahlungsangebot nicht immer zur Verfügung steht, muss genügend Wärme
zur Überbrückung strahlungsarmer Zeiten gespeichert werden. Die Größe des
Speichers ist dabei abhängig vom Verwendungszweck der Anlage und dem
individuellen Wärmebedarf .
Technisch ist es möglich, Wärme über Monate zu speichern, mit Hilfe von
unterirdischen saisonalen Speichern, wie sie schon in dem Vortrag über Geothermie
erläutert wurden. Dies ist für große Anlagen interessant, nicht jedoch für kleine
Anlagen, da diese Speicher sehr kostenintensiv sind.
Für kleine Anlagen eignen sich Ein-, Zweitagesspeicher.
4.3 Wärmetauscher
Solare Systeme erfordern größere Wärmetauscherflächen, als konventionelle
Systeme, da die Wärmetauscher bei niedrigen Temperaturdifferenzen arbeiten
müssen. Hohe Temperaturen würden den Wirkungsgrad des Kollektors stark
verschlechtern.
Integrierte Wärmetauscher werden für kleine Solarsysteme bevorzugt, da der
Wärmeübergang durch natürliche Konvektion innerhalb des Speichers geschieht. Es
ist somit keine weitere Pumpenleistung erforderlich.
Bei größeren Systemen würde ein solcher Wärmetauscher nicht ausreichen, da die
Wärmetauscherfläche zu groß werden müsste, um mit der Leistung des Systems
Schritt halten zu können. Die Rückflusstemperatur wäre zu hoch.
Somit muss auf außenliegende Wärmetauscher zurückgegriffen werden, wobei
allerdings der Wärmetausch über eine Pumpe erzwungen werden muss.
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4.4 Brauchwasseranlagen
www.riposol.de
Das solare Angebot reicht aus, um in den Sommermonaten je nach Dimensionierung
80 –95 % des Warmwasserbedarfs zu decken. Im Winter ist dies durch verminderte
Sonneneinstrahlung nicht möglich. Dennoch reicht das Strahlungsangebot aus, um
das Brauchwasser auf 30 – 50 °C zu erhitzen. Das ergibt im Winter einen
beträchtlichen Spareffekt, da die Zusatzheizung nur noch eine geringe
Temperaturdifferenz auszugleichen hat.
Die vom Kollektor in Wärme umgewandelte Strahlungsenergie wird über das
Wärmeträgerfluid, ein Wasser – Frostschutzgemisch, über Rohre in den Speicher
transportiert, dort wird sie über den Wärmetauscher an das Brauchwasser
übergeben. Eine Zusatzheizung sorgt hier für genügend Energie, um eine
Schlechtwetter – Periode zu überbrücken.
Das abgekühlte Wärmeträgermedium fließt zurück in den Kollektor.
Eine elektronische Regelung sorgt dafür, dass die Pumpe in Gang gesetzt wird,
sobald ein Energiegewinn zu erwarten ist.
Ein Überdruckventil sorgt dafür, dass die Flüssigkeit bei überhöhtem Druck
entweichen kann.
Die Dimension einer solchen Anlage lässt sich mittels eines Simulationsprogramms
berechnen.
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4.5 Heizungsanlagen
www.solarserver.de
Eine solare Vollversorgung ist möglich, werden sehr große Speicher benutzt und das
Haus energetisch angepasst ist. Saisonale Speicher wären nur für große Anlagen
sinnvoll. Die solare Vollversorgung ist wirtschaftlich nicht für kleine Anlagen geeignet.
Geeigneter sind Anlagen zur teilsolaren Raumheizung.
Wird ein zusätzlicher Pufferspeicher angebracht, der genügend Speichervolumen
bereit hält, um entweder solaren Überschuss oder Überschuss der Zusatzheizung
Zu speichern, können mit solchen Anlagen bereits 20 – 60 % des Wärmebedarfs
decken. Eine entsprechende Größe der Kollektoranlage ist unumgänglich. Die
Kollektorfläche kann 20 – 40 m2 erreichen.
Anlagen mit einem saisonalen Speicher können bis zu 80 % decken.
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4.6 Großanlagen
www.idw-online.de, links: Brauchwasseranlage des Studentenwerks Freiburg, rechts: Solaranlage in
Airola
Grundvoraussetzungen sind vorhandene zentrale Heizanlagen, die der
Wärmeversorgung von Häuserblöcken, Stadtteilen etc. dienen.
Große Anlagen können effizienter arbeiten, dank großer Kollektorflächen. Die Anlage
profitiert von ihrer Größe.
Der prinzipielle Aufbau entspricht dem einer Kleinanlage.
Eine solarthermische Großanlage kann noch nicht mit Energiepreisen konventioneller
Energieträger mithalten, was aber entwicklungsfähig ist.
5 Solarthermische Elektrizitätserzeugung
Es existieren zwei wichtige Grundkonzeptionen zur solarthermischen
Elektrizitätserzeugung, das Solar – Farm – Konzept und das Solar – Turm – Konzept.
Genauere Abgrenzungen beider Konzeptionen bezüglich des wirtschaftlichen
Standpunkts sind noch nicht möglich, da noch keine ausreichenden praktischen
Erfahrungen gesammelt wurden. Neuere Studien besagen, dass dem Solar – Turm –
Konzept bei höheren elektrischen Leistungen ein leichter Vorteil zugeschrieben
werden kann. Das Solar – Turm – Konzept ist für Arbeitstemperaturen oberhalb
800°C wirtschaftlicher als das Solar – Farm – Konzept.
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Solar – Farm – Konzept
Solartechnik, Lexika Verlag
Bei diesem Konzept wird auf eine große Zahl einzelner Kollektoren mit eigenen
Absorbern gesetzt. Die von den Kollektoren gesammelte Energie wird über ein
geeignetes Wärmeträgermedium, wie Wasser oder andere organische Medien, in ein
gemeinsames Rohrnetz eingespeist, um dann über einen Wärmetauscher an den
Arbeitskreis abgegeben zu werden.
Typische Kollektoren sind Parabolspiegel oder konzentrierende Spiegel mit
Einzelabsorbern.
Es können Konzentrationsfaktoren von 20 bis 200 und Arbeitstemperaturen bis
400°C erreicht werden. Ein solches System verlangt eine einachsige
Kollektornachführung, zweiachsige Nachführung würde den Kollektorwirkungsgrad
etwas erhöhen, wobei der Gesamtaufwand für eine solche Anlage steigen würde.
Als Wärmekraftmaschine zur Umwandlung der thermischen Energie in elektrische
Energie werden Verdrängungsmaschinen oder Turbinen betrieben.
Parabolrinnenkraftwerk in Kalifornien, www.schott.com
Solar – Turm – Konzept
In diesem System werden Spiegel dazu benutzt, um die einfallende Sonnenstrahlung
auf einen zentralen Empfänger zu konzentrieren, der auf einer Turmspitze montiert
ist. Zu diesem Zweck müssen die Spiegel in zwei Achsen nachgeführt werden.
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Der Vorteil einer solchen Anlage liegt darin, dass die eingestrahlte Energie nicht über
ein komplexes Leitungssystem gesammelt werden muss, so können die Verluste die
bei solchen Leitungen entstehen können verhindert werden.
Nachteil einer solchen Anlage ist, das eine zweiachsige Kollektornachführung
zwingend notwendig ist. Das bedeutet, dass aufwendige computergesteuerte
Nachführsysteme benötigt werden.
Zusätzlich treten am Empfänger Abberationsverluste auf. Eine solche Anlage lohnt
sich nur bei hohen Leistungen.
Der Konzentrationsfaktor einer solche Anlage erreicht Werte über 500 und erreicht
Arbeitstemperaturen von über 500°C. Zur Elektrizitätserzeugung dient eine
Dampfturbine.
Solartechnik, Lexika Verlag
Eine weitere Ausführung dieses Konzepts ist die Solar – Turm – 2 – Kreis – Anlage.
Die Strahlung wird wiederum auf einen Empfänger konzentriert. Dieser gibt die
erzeugte Wärme jedoch nicht an den Arbeitskreislauf ab, sondern an ein
Wärmeträgermedium, das die Wärme über einen Wärmetauscher an den
Arbeitskreislauf abgibt. Mit einer solchen Anlage können Arbeitstemperaturen bis
1000°C am Empfänger erreicht werden, bei einem Konzentrationsfaktor von 1500 bis
2000. Typische Transportmedien sind Luft, Helium oder flüssig Metalle.
Solarturm – Versuchskraftwerk am europäischen Testzentrum Plataforma Solar de Almería, Foto : S.
Franzen, www.volker-quaschning.de
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-
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