Kurze Einführung in solarthermische Begriffe

Kurze Einführung in solarthermische Begriffe
Isomorph srl, Dez. 2011
Um herkömmliche Solaranlagen verstehen zu können, braucht man eine Menge an
Expertenwissen: es gibt ja viele verschiedene Systeme mit verschiedenen
Eigenschaften – welches ist das richtige für mich? Die Installation kann heikel sein
(Wind? Schnee? Überhitzung?). Die Kontrolleinheit ist oft sehr schwer zu
programmieren, ausserdem braucht man einen komplizierten Schichtenspeicher,
um die Anlage einigermassen effizient betreiben zu können.
Der Linearspiegel macht Sonnenenergie endlich einfach. Zum ersten Mal kann
auch der Laie alles verstehen. An diese Menschen richtet sich unsere kurze
Einführung – an normale Leute, die Solartechnologie richtig verstehen wollen. Das
ist nicht nur nützlich, weil man dann mehr Energie spart, sondern auch interessant!
Die Zeichnungen zeigen schematisch, wie herkömmliche Systeme funktionieren,
und wie ein Linearspiegel funktioniert:
Querschnitt durch einen herkömmlichen Flachkollektor:
Sonnenlicht wird über die gesamte Kollektorfläche
gesammelt (schwarz).
Die Sonnenenergie erhitzt den Kollektor.
Sobald dieser heiß ist, wird kälteres Wasser (hellblau)
hindurchgeleitet.
Der gesamte Kollektor bildet einen Wärmetauscher – er
leitet Wärme in das kältere Wasser und erwärmt es
dadurch. Die Fläche zum Lichtsammeln ist also so gross
wie die Kollektorfläche.
Querschnitt durch einen Linearspiegel:
Die
einzelnen
Spiegel
(dunkelblau)
reflektieren das Sonnenlicht auf einen
gemeinsamen
Kollektor,
einen
Wärmetauscher (schwarz).
Sobald dieser heiß ist, wird kälteres Wasser
hindurchgeleitet (hellblau).
Die Fläche zum Lichtsammeln (gesamte
Spiegelfläche) ist hier viel grösser als die
Fläche des Wärmetauschers.
Für konventionelle Systeme ebenso wie für den Linearspiegel gilt: um Wasser auf
eine bestimmte Temperatur heizen zu können, muss der Wärmetauscher eine
etwas höhere Temperatur haben, man kann zun Beispiel Wasser nicht auf 60 °C
aufheizen, wenn der Wärmetauscher nicht mehr als 60 °C hat.
Das grundlegene Problem aller Solaranlagen liegt nun darin, dass der heisse
Wärmetauscher nicht nur das Wasser aufheizt, sondern auch die Umgebung, zum
Beispiel die umgebende Luft. Diese an die Umgebung abgegeben Energie steht
dann für den Nutzer des Geräts nicht mehr zur Verfügung.
Der Wärmeverlust ist grösser, wenn der Wärmetauscher grösser ist.
Bei herkömmlichen Geräten funktioniert das gesamte Solarmodul als
Wärmetauscher, der Wärmetauscher ist also sehr gross (typischerweise 15 m² für
eine Anlage mit 5 kW). Der Wärmetauscher des Linearspiegels ist wesentlich
kleiner (0.5 m2 ).
Der Wärmeverlust steigt auch an mit der Temperatur des Wärmetauschers.
Genauer gesagt kommt es auf die Differenz an zwischen der Temperatur des
Wärmetauschers und der Umgebung). Bei höhere Temperaturen (ab circa 60 ºC)
verlieren herkömmliche Systeme 20% bis 60% der von der Sonne bereits
aufgenommenen Energie dann wieder an die Umgebung. Und dieser Verlust kann
sich bei Wind auch leicht verdoppeln oder verdreifachen. In welchem Fall praktisch
keine oder gar keine Energie mehr an den Verbraucher abgegeben wird.
Der Wärmetauscher des Linearspiegels hingegen verliert nur 5% bis 10% der
aufgenommenen Energie an die Umgebung. Selbst wenn sich dieser Wert bei Wind
verdoppelt oder gar verdreifacht, so wird immer noch die meiste Energie an den
Nutzer abgegeben.
Im folgenden erklären wir häufig vorkommende Fachausdrücke:
Energie
(Auch) Wasser enthält Wärmeenergie. Je mehr Energie im Wasser gespeichert
wird, ums heisser wird es. Die Masseinheit für Energie ist das „Joule“, J,
stattdessen kann man aber auch die Einheit Wattstunde verwenden, Wh. Um zum
Beispiel 1000 Liter Wasser mit einer Temperatur von 40 °C aufzuheizen auf 45 °C
benötigt man 20.9 MJ (Mega Joule) Energie. Wenn man das gleiche Wasser
stattdessen auf 90 °C aufheizen will, braucht man zehnmal so viel Energie.
Deshalb sollte ein Solarsystem in der Lage sein, auch hohe Temperaturen zu
erreichen. Denn nur dann kann es den Speicher auf hohe Temperaturen aufheizen,
also viel Energie speichern. Wenn hingegen ein Solarystem nur 40 °C erreicht, so
kann man damit zwar auch heizen, aber man kann die Energie nicht speichern.
Leistung
Die Leistung (oder Wärmeleistung) beschreibt, wie schnell man einen Speicher
aufheizt. Anders gesagt: wieviel Energie man dem Speicher in einer Stunde (oder
Minute, oder Sekunde) zuführt. Die Einheit der Leistung ist das Watt, W, 1W = 1
J/sec. Will man in einer Stunde einen Speicher um 5 ºC aufheizen, so braucht man
dazu eine Leistung von 20.9 MJ/3,600 sec = 5.8 kJ/sec = 5.8 kW
Der Linearspiegel hat eine Wärmeleistung von 4.5 kW in Deutschland, 4.8 kW in
Italien.
Die Leistung des Wärmetauschers bestimmt aber nicht nur, wie schnell der
Speicher aufgeheizt wird, sondern auch, wie stark das Wasser aufgeheizt wird,
wenn es durch den Wärmetauscher fliesst. Als Beispiel nehmen wir an, 200 Liter
Wasser flössen pro Stunde durch den Wärmetauscher, und dieser habe eine
Leistung von 5 kW. Dann wird das Wasser, während es durch den Wärmetauscher
fliesst, seine Temperatur um 21.5 °C erhähen (= 5 kW · 3,600 sec/(4190 J/kg·K ·
200kg), 4190 J/kg·K ist die spezifische Wärmekapazität des Wassers). Fliesst das
Wasser zum Beispiel mit einer Temperatur von 40 °C in den Wärmetauscher hinein,
so wird es mit 61.5 °C herausfliessen.
Der Linearspiegel ist für Temperaturern bis 100 °C ausgelegt, und er kann diese
Temperatur auch im Winter erreichen. Das bedeuted aber nicht, dass er immer 100
°C heisses Wasser produziert, egal mit welcher Temperatur und Geschwindigkeit
das Wasser hineinfliesst.
Bei herkömmlichen Geräten ist es hingegen im Winter oder in der Übergangszeit
nicht möglich, Wasser auf 100 °C aufzuheizen, egal wie langsam das Wasser
fliesst, weil nämlich der Wäremtauscher herkömmlicher Geräte bei einer
Temperatur von 100 °C mehr Energie an die Umgebung abgibt, als er von der
Sonne geliefert bekommt.
Zeitkonstante
Die Zeitkonstante misst, wie lange der Wärmetauscher braucht, um sich zu
erwärmen. An wolkenlosen Tagen muss sich der Wärmetauscher ja nur einmal pro
Tag erwärmen, am Morgen. Aber an teils bewölkten Tagen, an denen die Sonne
immer wieder hinter den Wolken hervorkommt, erwärmt sich der Wärmetauscher
jedes mal, wenn die Sonne wieder sichtbar wird (und während die Wolke vor der
Sonne steht, kühlt er aus). Erst danach kann er Wärme abgeben.
Der Linearspiegel hat eine Zeitkonstante von einer halben Minute. Herkömmliche
Anlagen brauchen 15 bis 30 Minuten um sich aufzuwärmen.
Wenn man nun einen Tag annimmt, an dem die Sonne alle 10 Minuten für 10
Minuten hinter den Wolken hervorkommt, so wird eine herkömmliche Solaranlage
gar keine Wärme liefern, der Linearspiegel etwa die Häflte der Energie eines
wolkenlosen Tages.
Speichern der Energie
Um die herkömmlichen thermischen Solarsysteme bestmöglich nutzen zu können,
verwendet man sogenannte Schichtenspeicher. Diese Speicher weissen
Wasserschichten mit verschiedenen Temperaturen auf, oben ist das heisse Wasser,
nach unter hin wird das Wasser kälter. Das besondere am Schichtenspeicher ist,
dass man das vom Wärmetauscher kommende Wasser in verschiedenen Höhen
am Speicher einspeissen kann. Wenn der Wärmetauscher kein sehr heisses
Wasser liefern kann, so kann es trotzdem sein, dass das Wasser weiter unten im
Schichtenspeicher es erlaubt, jenem „nicht sehr heissen“ Wasser seine Energie
abzunehmen. Der Nachteil dieser Technologie ist ihre Komplexität und der daraus
resultierende Preis von bis zu 4,000 € für einen 1000 Liter-Speicher.
Der Linearspiegel braucht dergleichen nicht, seine Wäreenergie kann auch in
einem normalen Boiler gespeichert werden, der 800 € kostet.