ENERGIESYSTEME 1. TEILPRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE Einstrahlungsrichtung der diffusen Strahlung...

ENERGIESYSTEME 1. TEIL

PRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE

Einstrahlungsrichtung der diffusen Strahlung Relative Intensität

der solaren diffusen Strahlung (bei λ = 0,365 µm) als Funktion des Zenitwinkels in einer Ebene in der die Sonne liegt, für Los Angeles; für einen klaren Himmel (clear case) und an einem Tag mit Smog.

Bei klarem Himmel kommt die diffuse Himmelsstrahlung zu 75 % mit gleicher Intensität aus allen Richtungen; 25 % aus der Richtung der Sonne („Circum – Solar“ der Direktstrahlung)



Einstrahlungsrichtung der diffusen Strahlung

D2

D1

A

B

S In einem Luftmolekül A

erregt der in der Ebene SAB polari-sierte Anteil des Sonnenlichts eine Dipolschwingung (D1). Die Amplitude, die dem Beobachter B zugestrahlt wird, ist ~ zu cos/r , die Intensität I~cos2/r2

Für die Polarisationsrichtung senkrecht zu SAB (D2) gilt I ~ 1/r2, denn hier schwingt der Dipol senkrecht zu AB.

D1+D2: I~1+cos2

Um 90° von der Sonne entfernt ist er am dunkelsten. Dem Auge fällt dieser geringe Unterschied kaum auf, besonders weil das Blendlicht der direkten Sonne ihn verdecken. Durch einen Polarisationsfilter sieht man das aber sehr gut.

r



Bele

uch

tun

gsd

ich

te/W

m-2

Sonnenhöhewinkel h

idir = direkte Einstrahlung auf eine horizontale Fläche

idif = diffuse Einstrahlung

igl = totale Einstrahlung

Solare Einstrahlungsdichte an einem wolkenlosen Tag (16.7.1969) bei Sutton Bonington (53°N, 1° W).

Der Anteil der diffusen Einstrahlung hängt auch bei klarem Himmel von der Länge des Weges durch die Atmosphäre ab.



Für die meisten Berechnungsfälle genügt es im allgemeinen, die Strahlungsdichte der diffusen Strahlung eine über alle Richtungen isotrope Verteilung anzunehmen. Der Teil der diffusen Strahlung, der eine um den Winkel zur Horizontalen geneigten Fläche erreicht, beträgt:

2cos

2

cos1 2,,,

hordifhordifgeneigtdif iii

Kollektoren sind im allgemeinen auf der Rückseite mit einer nicht transparenten thermischen Isolierung ausgestattet. Der Boden reflektiert entsprechend dem Reflexionskoeffizienten Boden. Der Anteil, der den Kollektor erreicht, ist: i irefl gl Boden

1

2

cos



Neuschnee 0,75 - 0,95

Altschnee 0,40 - 0,70

Sandboden 0,15 - 0,40

Wiesen und Felder 0,12 - 0,30

Straßen und Häuser

0,15 - 0,25

Wälder 0,05 - 0,20

dunkler Fußboden 0,07 - 0,10

Wasser 0,03 - 0,10

Reflexionsgrade für Solarstrahlung

Die Globalstrahlung auf eine Kollektorfläche wird dann:

h gl,

h diff,

hdir,,

i 2

cos1

i 2

cos1

i cos

cos

B

Z

KKgli



Einstrahlung bei Bewölkung

Atmosphärische Transparenz (clearness factor): extra

glt i

iK

Jan. März Mai Juli Sept. Nov.

Bochum (51,17°) 0,274 0,441 0,497 0,484 0,498 0,321

Hamburg (53,63°) 0,432 0,569 0,645 0,602 0,636 0,402

Hannover (52,47°)

0,348 0,538 0,600 0,556 0,577 0,431

Karls. (49,02°) 0,414 0,618 0,771 0,777 0,670 0,376



Typische Werte der Globalstrahlung

Streuung und Absorption reduzieren die Einstrahlung gegenüber der extraterrestrischen Leistungsdichte

Als langjähriger Jahresmittelwert der Einstrahlung auf eine horizontale Fläche gilt für Karlsruhe etwa 1100 kWh pro Quadratmeter und Jahr. Dies sind etwa 45% der extraterrestrische Solarstrahlung Typische Maximalwerte: 800 bis 1000 W/m2 (höhere

Werte treten nur auf, wenn Wolken zusätzlich Einstrahlung an den Standort reflektieren)

während an einem wolkenverhangenen Wintertag (Mittagszeit) nur 100 W/m2 gemessen werden können

Es gibt Gebiete mit der etwa doppelten jährlichen Einstrahlung. Von hoch gelegenen Standorten in Nordamerika liegen Meßwerte bis 2800 kWh/m2y vor



Typische Werte der Globalstrahlung

Globalstrahlung der Erde


SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

Solarsysteme zur Gewinnung von thermischer Energie

Einleitung KollektorenWärmeübertragungsarten Gebrauchsformeln für den Druckverlust und Wärmeübergang Für Kollektoren typische Wärmeübergangsarten Transparente Wärmedämmung Simulation von Kollektor-Leistungserträgen - f-chart-Methode Energiekosten bei Solaranlagen Betriebsergebnisse Wärmespeicher



Die Wirkungsgrade und die Nutzleistungen der technischen Lösungen zur Nutzung der Solarenergie ergeben sich aus der energetischen Bilanzierung von Einstrahlungs- und Verlustleistungen

Die thermische Nutzung von Solarenergie zielt auf die Bereitstellung von Prozeßwärme für

industrielle Aufgaben Anwendungen im Gebäudebereich

Bei der Nutzung im Gebäudebereich unterscheiden wir in

aktive passive

Nutzungweisen

Einleitung



Die passive Nutzung von Sonnenenergie bezieht sich ausschließlich auf Gebäude, wobei lediglich bauliche Mittel zur Solarenergienutzung verwendet werden. Das Prinzip: Sammlung der Sonnenenergie durch entsprechend orientierte Fenster oder ”transparente Wärmedämmungen”, verbunden mit einem temporären Wärmeschutz Ausnutzung der Gebäudemassen als Wärmespeicher

Aktive Systeme sind mit maschinentechnischen Komponenten aufgebaut und beinhalten einen Wärmetransport mittels eines Wärmeträgers von der Stelle der Energieaufnahme, dem Kollektor, zum Nutzer, d.h. in der Regel zu einem zwischen geschalteten Speicher



die aktiven Systeme: - mit Konzentrazion- ohne Konzentration

die Konzentration erhöht durch Spiegel die Einstrahlungsleistung am Absorber

- der Absorber kann mit höheren Temperaturen betrieben werden

Anwendungen im Gebäudebereich: ohne Konzentration

in der Industrie: mit konzentrierenden Kollektorsystemen

Hochkonzentrierende Kollektoren werden häufig auch zur Stromerzeugung eingesetzt



Bei hohen Konzentrations-verhältnissen wird die zweiachsige Nachführung sinnvoll

In den Schlauchmatten kann Wasser nur drucklos umgewälzt werden

Bei den Solarteichen kann die Salzlösung ebenfalls direkt ohne druckführende Leitungen umgepumpt werden

Flachkollektoren und Vakuumröhren verwenden Wasser bis 150°C, wobei über 100°C die Kreislaufauslegung höhere Betriebsdrücke zulassen muss

Thermoölen, Salzschmelzen, flüssiges Metallen oder Inertgase erlauben den Betrieb bei Temperaturen über 150°C



KollektorenFlachkollektor Röhrenkollektor

Die prinzipiellen Bauteile eines Solarkollektors zur Wärmegewinnung sind:

eine optisch transparente Abdeckung, die der Sonne zugekehrt ist, mit Eigenschaften zum Schutz gegen Wärmeverluste an die Umgebung

eine selektiv beschichtete Absorber- oder Empfängerplatine, die die Einstrahlung absorbiert

ein Wärmeabfuhrsystem, das die Wärme vom Absorber aufnimmt und aus dem Kollektor transportiert

eine thermische Isolierung an den nicht beschienen Seiten des Kollektors

eine Umschließung, in welche die bereits genannte optisch transparente Abdeckung integriert ist



Flachkollektoren



Röhrenkollektoren



Wirkungsgrad von nicht-konzentrierenden Solarkollektoren



idir = Direktstrahlungigl = Globalstrahlung

Wärmeverluste:

TA = Temperatur der Empfänger- oder Absorberplatine

idif =diffuse Einstrahlung

Solare Einstrahlung flächen-bezogen auf die Apertur oder Frontseite des Kollektors:

TU = Umgebungstemperatur

kges = Wärmeübergangskoeffizient

θ = Auftreffwinkel der Direkt-strahlung = Neigungswinkel des Kollektors

= Transmissionskoeffizient der frontseitigen Kollektorabdeckung = Absorbtionskoeffizient im Wellenlängenbereich der solaren Einstrahlung

2

βcosicosθii 2

difdir

iαi

)T(Tkq UAgesverl

Strahlung

Strahlung

Strahlung Konvektion

Konvektion

Konvektion

Wermäleitung

Wermäleitung



Wirkungsgrad von nicht-konzentrierenden Solarkollektoren

Die Nutzleistung und der Wirkungsgrad eines Solarkollektors ergibt sich aus einer Wärmebilanz

Die flächenbezogene Nutzleistung aus der auftreffenden Solarstrahlung vermindert um die optischen und thermischen Verluste:

UAgesN TTkατiq

Nach Division mit der Einstrahlungsleistung folgt der Wikungsgrad:

steWärmeverlu

UAges

Verluste optische-1

N

i

TTk ατ

i

q η



W/m2

W/m2

UAgesN TTkατiq = 0,9 = 0,9kges = 4,0 W/m2K

TA-TU

TA-TU

i=600 W/m2

i=800 W/m2

Die Absorbertemperatur, bei der die Nutzleistung zu Null wird, nennt man Stillstandstemperatur



FrontSeitenwandRückwandges kkkk

UGlStrKonvGl

Gl

GlAStrKonvL

UGlGlGlAFront

)k(k

1

λ

δ

)kk(k

1

k

1

k

1

k

1

k

1

kFront = Gesamtwärmeübergangskoeff. FrontseitigkA-Gl = Wärmeübergangskoeff. Absorber-Glas kGl-U = Wärmeübergangskoeff. Glas-Umgebung Gl = Dicke der transparenten Abdeckung (Glasscheibe)Gl = Wärmeleitfähigkeit der transparenten Abdeckung (Glasscheibe)



4Gl

4A

GlA

A/GlStr, TT1

ε1

ε1

σ q

T TA4 Gl A Gl A Gl A GlT T T T T T4 2 2

GlAGlA

GlA

GlA

StrGlAStr TTTT

TT

qk

22,

111

= 5,6710-8Wm-2K-4 (die Stefan-Boltzmann-Konstante)TA/Gl = thermodynamische Temperaturen des Absorbers bzw. der Glasabdeckung in oK = Emissionskoeffizient des Absorbers bzw. von Glas



A

4Gl

4AA

4Gl

4A

GlA

A/GlStr, TTσεTT1

ε1

ε1

σ q

= Absorbtionskoeffizient des Absorbers im Wellenlängenbereich der solaren Einstrahlung



0c,c,c

i

T - T i c -

i

T - T c - c = η

210

2

UA2

UA10

i

TTkατη UA

ges

ckT1)T gesUA

f(T)kT2)T gesUA



Kasten/Glas Dichtung Glas

Absorberselektivbeschichtet

VerbindungstechnikAbsorberblech

WärmeabführsystemKollektorkasten

Seitliche u.rückseitige Isolierung

Kissenabsorber Folie

Vakuum FlachkollektorVakuumdichtung

Spiegel

TWD

Beiko (beidseitig beschienenerKollektor)

Flachkollektoren

Stegplatte

Glas

Glas

Glas

transparenteWärmedämmung












Vakuum Flachkollektor


Vakuum FlachkollektorVakuumdichtung

Spiegel

TWD


Flachkollektoren

Vakuumdichtung

Spiegel

TWD


Flachkollektoren

Stegplatte

Glas

Glas

Glas

transparenteWärmedämmung

Schlauchmatten

Kissenmatten

Luftkollektor

Spiegel

Vakuum

Vakuum Vakuum

Doppelglasröhremit Vakuum-spalt

Spiegel

Vakuum

Schwimmbadkollektoren

Luft

Vakuumröhren

Schlauchmatten

Kissenmatten

Luftkollektor

Spiegel

Schlauchmatten

Kissenmatten

Luftkollektor

Spiegel

Vakuum

Vakuum Vakuum


Spiegel

Vakuum


Luft

Vakuumröhren



Kurve Kollektortyp Wirkungsgradbeziehung

1 Kissenabsorber

2 Flachkollektor mit guter selektiver Schicht

3 Vakuumröhren

4 Vakuumflachkollektor

5 Kollektorkasten wie Vakuumflachkollektor jedoch mit seitlicher und rückwärtiger Isolierung

6 Flachkollektor mit Glas+Folien-Abdeckung

2xi0,008x2,610,8099η

2xi0,013x2,780,7851η

2xi0,011x4,170,7901η

2xi0,006x4,040,8634η

x120,91η

2xi0,009x0,790,836η

Freibad-erwärmung

BrauchwasserRaumheizung

Prozesswärme Raumkühlung

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Nr.1Nr.1 Nr.2Nr.2

Nr.3Nr.3

Nr.4Nr.4Nr.5Nr.5

Nr.6Nr.6

(T a -T u )

Freibad-erwärmung



0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Freibad-erwärmung



0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Nr.1Nr.1 Nr.2Nr.2

Nr.3Nr.3

Nr.4Nr.4Nr.5Nr.5

Nr.6Nr.6

(T a -T u )

TA-TU

i=790W/m2

i

TTx UA



Schlauchmatten

Kissenmatten

Luftkollektor

Spiegel

Vakuum

Vakuum Vakuum


Spiegel

Vakuum


Luft

Vakuumröhren

Schlauchmatten

Kissenmatten

Luftkollektor

Spiegel

Schlauchmatten

Kissenmatten

Luftkollektor

Spiegel

Vakuum

Vakuum Vakuum


Spiegel

Vakuum


Luft

Vakuumröhren

Freibad-erwärmung



0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Nr.1Nr.1 Nr.2Nr.2

Nr.3Nr.3

Nr.4Nr.4Nr.5Nr.5

Nr.6Nr.6

(T a -T u )

Freibad-erwärmung



0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Freibad-erwärmung



0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Nr.1Nr.1 Nr.2Nr.2

Nr.3Nr.3

Nr.4Nr.4Nr.5Nr.5

Nr.6Nr.6

(T a -T u )i

TT120,91η UA

2

UAUA

i

TTi0,009

i

TT0,790,836η



Kollektoren mit konzentrierenden SystemenKollektor mit

einachsig, parabolisch gekrümmtem Reflektor mit der Aperturfläche FA und rundem Absorber oder Empfänger mit dem Querschnitt FE in einem Glashüllrohr



Nutzleistung und Wirkungsgrad von Kollektoren mit konzentrierenden

Systemen

)Tf(Tk UAges

Koeffizienten: Transmissionsverluste am Hüllrohr Absorptionsverluste am Absorberz Anteil der Direktstrahlung an igl Reflexionskoeffizient des konzentrierenden Spiegels Auffangfaktor, dies ist der Anteil der reflektierten Strahlung, der tatsächlich den Absorber trifft

)T(Tk F

F π- izργτα

F

F - F + iτα

F

F = q UAges

A

E

A

EA

A

EkonzN,

i

T - T k

k

1 π- ργτα

k

1 - 1 +

k

1τα = η UA

ges

A

E

Fk F



Optische Grenzen des Konzentrationsverhältnisses

A

E

Fk F

SE TT

2S = 0,54° = 32’

4S2

S/E

2

AES σTR

rFQ

4EESE σTFQ

TS

= 5,6710-8Wm-2K-4

TE

SEES QQ

4S2

S/E

2

A4EE T

R

rFTF

45000θsin

1

r

R

F

Fk

S22

2S/E

E

Adimmax,2

212sinθ

1

r

R

L

Lk

S

S/E

E

Adimmax,1

4

S

Emax

SE

TTkk

TT



Der Akzeptanzwinkel

Konzentrierende Kollektoren müssen dem Sonnenstand nachgeführt werden Während der Zeitspanne ohne Spiegelnachführung darf der Sonnenstand nur inner halb des Akzeptanzwinkels variieren Wenn z. B. ein polar ausgerichteter Kollektor am Tag der Tagund nachtgleiche über eine Stunde, d. h. 0,5 Stunde um die Mittagszeit, ohne Nachführung auskommen soll, so verlangt die Änderung des Sonnenstandes in dieser Zeit einen Akzeptanzwinkel von 15°

3,86sin15

1k



Halber Akzeptanz-winkel max

MittlereBetriebszeit

pro Tag

Nachführungenpro Jahr

kürzeste Periodeohne

Nachführung

mittlere Betriebszeit bei täglicher Nachführung

[h/d] [Tage] [h/d]

19.5°(k=3.0)

9.22 2 180 10.72

14°(k=4.13)

8.76 4 35 10.04

11°(k=5.24)

8.60 6 35 9.52

9°(k=6.39)

8.38 10 24 9.08

8°(k=7.19)

8.22 14 16 8.82

7°(k=8.21)

8.04 20 13 8.54

6.5°(k=8.83)

7.96 26 9 8.36

6°(k=9.57)

7.78 80 1 8.18

5.5°(k=10.43)

7.60 84 1 8.00

Akzeptanzwinkel und Nachführhäufigkeit bei Ost/West-Ausrichtung der Kollektorachse

für Ideale Konzentration und perfekte Spiegel bei punktförmiger Sonne

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