•Solare Schwimmbaderwärmungdirekt oder über „schwarze“ Absorber
•Solare Brauchwassererwärmungüber nicht konzentrierende Flüssigkeitskollektoren
•Solare Niedertemperaturheizung für Räumeüber nicht konzentrierende Luftkollektoren
•Solare Prozesswärmeüber konzentrierende Kollektoren; oberflächlich absorbierende Rohrreceiver oder Gas-Partikel-Receiver mit transparenten Wänden und Volumenabsorption
13.14Entwicklung des deutschen Solarthermie - Markt
13.15Solarthermische Systeme: Der Markt in Deutschland
Quelle: www.solarwirtschaft.de
13.16
Kumulierte installierte solarthermische Leistung in den wichtigsten 10 Ländern und Zubau im Jahr 2004 (gesamt 15,5 Mio. m2) (Quelle: Jahrbuch EE 2007)
Zubau 2004 [MW] Gesamte Kollektorleistung [MW] 2004
Brasilien: 23
Österreich: 134
Griechenland: 150
Australien: 377
Israel: 49
Deutschland: 525
Türkei: 840
Japan: 176
USA: 918
China: 9.450
Brasilien: 1.586
Österreich: 1.938
Griechenland: 2.096
Australien: 3.324
Israel: 3.353
Deutschland: 4.533
Türkei: 5.096
Japan: 5.408
USA: 19.879
China: 43.400
Nur Wasserkollektoren; Luftkollektoren stellen in Bezug auf die installierte Leistung im Vergleich mit den anderen Kollektortypen einen Randbereich dar und sind in den aufgeführten Ländern nur in den USA mit knapp 160 MW Leistung im Einsatz.
Zubau 2004 [MW] Gesamte Kollektorleistung [MW] 2004
Brasilien: 23
Österreich: 134
Griechenland: 150
Australien: 377
Israel: 49
Deutschland: 525
Türkei: 840
Japan: 176
USA: 918
China: 9.450
Brasilien: 1.586
Österreich: 1.938
Griechenland: 2.096
Australien: 3.324
Israel: 3.353
Deutschland: 4.533
Türkei: 5.096
Japan: 5.408
USA: 19.879
China: 43.400
Nur Wasserkollektoren; Luftkollektoren stellen in Bezug auf die installierte Leistung im Vergleich mit den anderen Kollektortypen einen Randbereich dar und sind in den aufgeführten Ländern nur in den USA mit knapp 160 MW Leistung im Einsatz.
Zubau 2004 [MW] Gesamte Kollektorleistung [MW] 2004
Brasilien: 23
Österreich: 134
Griechenland: 150
Australien: 377
Israel: 49
Deutschland: 525
Türkei: 840
Japan: 176
USA: 918
China: 9.450
Brasilien: 1.586
Österreich: 1.938
Griechenland: 2.096
Australien: 3.324
Israel: 3.353
Deutschland: 4.533
Türkei: 5.096
Japan: 5.408
USA: 19.879
China: 43.400
Nur Wasserkollektoren; Luftkollektoren stellen in Bezug auf die installierte Leistung im Vergleich mit den anderen Kollektortypen einen Randbereich dar und sind in den aufgeführten Ländern nur in den USA mit knapp 160 MW Leistung im Einsatz.
AbsorberFlachkollektoren
Vakkuumröhren
AbsorberFlachkollektoren
Vakkuumröhren
AbsorberFlachkollektoren
Vakkuumröhren
13.17Übersicht über die Vorlesung Solarenergie
1. Einleitung
2. Die Sonne als Energiequelle
3. Halbleiterphysikalische Grundlagen
4. Kristalline pn-Solarzellen
5. Elektrische Eigenschaften
6. Optimierung von Si-Solarzellen
7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen
8. Third Generation Photovoltaics
9. PV-Systemtechnik
10. Solarthermische Kraftwerke
11. Solarkollektoren
11.1 Grundlagen
11.2 Der Solarthermie-Markt
11.3 Kollektortypen
11.3.1 Schwimmbadheizung
11.3.2 Flachkollektor
11.3.3. Vakuumröhrenkollektor
11.4 Systemeinbindung
11.5 Kennwerte von Kollektoren
13.18Anwendungen: Solare Schwimmbadbeheizung
In der Regel ist nur eine Temperaturerhöhung von wenigen Grad erforderlich!
Geschwärzte wasserdurchflossene Rohre aus Polyethylen (PE), Polypropylen(PP) oder stabileren Ethylen-Propylen-Dien-Monomeren (EPDM) werden auf einer großen Fläche ausgelegt; Absorberfläche ca. 50 – 80% der Beckenoberfläche.
Bei Stützwassertemperatur von 23 °C: Wärmebedarf im Freien von 150 – 450 kWh/m2. Auf eine Zusatzheizung kann in der Regel verzichtet werden. Bei 2000 m2
lassen sich bis zu 75000 l Heizöl/Saison einsparen.
Zweipunktreglung:
Oberhalb einer gew. Temperaturdifferenz zwischen Becken- und Absorbertemperatur wird die Pumpe eingeschaltet.
13.19Anwendungen: Solare Schwimmbadbeheizung
13.20Übersicht über die Vorlesung Solarenergie
1. Einleitung
2. Die Sonne als Energiequelle
3. Halbleiterphysikalische Grundlagen
4. Kristalline pn-Solarzellen
5. Elektrische Eigenschaften
6. Optimierung von Si-Solarzellen
7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen
8. Third Generation Photovoltaics
9. PV-Systemtechnik
10. Solarthermische Kraftwerke
11. Solarkollektoren
11.1 Grundlagen
11.2 Der Solarthermie-Markt
11.3 Kollektortypen
11.3.1 Schwimmbadheizung
11.3.2 Flachkollektor
11.3.3. Vakuumröhrenkollektor
11.4 Systemeinbindung
11.5 Kennwerte von Kollektoren
13.21Solare Brauchwassererwärmung
Für Brauchwasser wird ein höheres Temperaturniveau benötigt.
Bloße, primitive Absorber, z.B. Solardusche (schwarzer Sack mit Wasserinhalt oberhalb der Zapfstelle), hätten zu hohe Konvektionsverluste, Verluste durch Wind, Regen und Schnee und vor allem Strahlungsverluste bei höherer Kollek-tortemperatur.
Weitere Komponenten:Speicher – Kollektorvolumen zum Speichern meist zu klein!Pumpe – Ausnahme: SchwerkraftanlageRegelung für konstantes Temperaturniveau
13.22Kollektorbauarten
13.23Flachkollektoren
Absorber befindet sich in einem geschlossenen Gehäuse, um die Verluste durch Konvektion und Wär-mestrahlung zu begrenzen.
Gehäuse aus Kunststoff oder Blech, rückseitig mit Polyurethan-Hartschaum-platten oder Mineralfaser-platten wärmegedämmt.
Meist verwendeter Kollektortyp zur Brauchwassererwärmung
13.24Schnitt durch einen Flachkollektor
Quelle: ITW, Uni-Stuttgart
13.25Energieströme des abgedeckten Kollektors
13.26Energiebilanz des Flachkollektors
Frontscheibe soll die Solarstrahlung durchlassen, die Wärmestrahlung des Absorbers, wie im Treibhaus, zurückhalten. Dies wird erreicht mit eisenarmem Solarglas – hohe Transmission im VIS, starke Absorption im IR.
Besser: In2O3 oder ZnO2
beschichtete Gläser mit guter Transmission im VIS, aber hoher Reflexion im IR.
Ca. 60% der einfallenden Strahlungsleistung ist thermisch nutzbar.
13.27Frontscheiben für Flachkollektoren
(haben sich bei Kollektoren (noch) nicht durchgesetzt)
13.28Beispiele für Flachkollektoren
Quelle: ITW, Uni-Stuttgart
13.29Bauformen von Solarabsorbern
Ziel: Große Absorberfläche, kleines Absorbervolumen.
Wegen Leerlauftemperaturen von etwa 200 °C sind die Absorber fast ausschließ-lich aus Kupfer, Stahl oder Aluminium (korrosionsanfällig) gefertigt.
Fahnenabsorber
13.30Übersicht über die Vorlesung Solarenergie
1. Einleitung
2. Die Sonne als Energiequelle
3. Halbleiterphysikalische Grundlagen
4. Kristalline pn-Solarzellen
5. Elektrische Eigenschaften
6. Optimierung von Si-Solarzellen
7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen
8. Third Generation Photovoltaics
9. PV-Systemtechnik
10. Solarthermische Kraftwerke
11. Solarkollektoren
11.1 Grundlagen
11.2 Der Solarthermie-Markt
11.3 Kollektortypen
11.3.1 Schwimmbadheizung
11.3.2 Flachkollektor
11.3.3. Vakuumröhrenkollektor
11.4 Systemeinbindung
11.5 Kennwerte von Kollektoren
13.31Vakuumröhrenkollektor
In einer Glasröhre lässt sich ein Hochvakuum besser herstellen und über eine längere Zeit halten als in einem Vakuum-Flachkollektor.
Gegen eindringenden Wasserstoff werden Gettereingesetzt..
Heat-Pipe in Schräglage und meist mit Methanol gefüllt transportiert Wärme zum Wärme-tauscher. Auch gibt es Kollektoren mit durch-laufendem Wärmeträ-gerrohr ohne Schrägla-ge und Wärmetauscher.
13.32Schnitt Vakuum-Röhren-Kollektor
Wärmeleitblech
äußereGlasröhre
Kollektorkreislauf
selektive Beschichtungauf innerer Glasröhre
Reflektor
Vakuum imRingspalt zwischenäußerer und innererGlasröhre
Quelle: ITW, Uni-Stuttgart
13.33Selektive Absorberbeschichtung
Quelle: www.tinox.com
13.34Übersicht über die Vorlesung Solarenergie
1. Einleitung
2. Die Sonne als Energiequelle
3. Halbleiterphysikalische Grundlagen
4. Kristalline pn-Solarzellen
5. Elektrische Eigenschaften
6. Optimierung von Si-Solarzellen
7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen
8. Third Generation Photovoltaics
9. PV-Systemtechnik
10. Solarthermische Kraftwerke
11. Solarkollektoren
11.1 Grundlagen
11.2 Der Solarthermie-Markt
11.3 Kollektortypen
11.3.1 Schwimmbadheizung
11.3.2 Flachkollektor
11.3.3. Vakuumröhrenkollektor
11.4 Systemeinbindung
11.5 Kennwerte von Kollektoren
13.35Thermosiphonanlagen
Kollektor ist stets tiefer, gelagert, min-destens 0,6 m, als der Wärmespeicher, damit aufgrund der Schwer-kraft warmes Wasser in den Wärmespeicher aufsteigen und kaltes Wasser in den Kollektor abfallen kann. Es darf, insbesondere nachts, kein Rückwärtslauf einsetzen!
Nachteile:System reagiert bei mehr als 10 m2 Kollektorfläche zu träge.Schwerer Speicher ist hoch zu montieren.Hohe Temperaturen im Speicher und Kollektorkreislauf mindern Wirkungsgrad.
Vorteil: Keine Pumpe erforderlich und kein Stromverbrauch dadurch.
13.36Anlagen mit Zwangsumlauf
Zweikreissystem mit Zwangs-umlauf:Zur Vermeidung des Einfrierens von Wasser bei Frost fließt im Solarkreislauf mit Frostschutz (Glykol) versehenes Wasser, im getrennten Brauchwasser-kreislauf reines Wasser.
Pumpe schaltet ein, wenn die gemessene Temperatur im Kollektor 5 – 10 °C höher als die Speichertemperatur ist; sie schaltet ab unterhalb einer gewissen Tempera-turdifferenz. Schwellwerte sollten nicht zu nahe liegen, damit bei niedrigen Bestrah-lungen nicht ständig ein- und ausgeschaltet wird. Kollektorserienschaltung erhöht das Temperaturniveau und erniedrigt den Gesamtmassenstrom (Low-Flow).
13.37Speicherkollektoren
Schwerer Edelstahltank als Absorber und Speicher im Kollektor;160 l Volumen auf ca. 2 m2. Gesonderter Wärmespeicher entfällt.
Selektive Beschichtung absor-biert im UV, VIS und NIR, emittiert aber kaum im MIR und FIR.
Reflektoren konzentrieren die Solarstrahlung auf den Speicher.
Zur weiteren Reduktion der Wärmeverluste:
•Wärmedämmung auf der Rückseite
•Transparente Wärmedämmung (TWD) auf der Einstrahlungsseite: Aerogranulat(20 mm) oder Polycarbonat in Waben- oder Kapillarstruktur besitzen wesentliche kleine Wärmedurchgangskoeffizienten k = 0,7 – 0,85 W/(m2K) als Fensterver-glasungen mit k = 1,0 – 5,9 W/(m2K), aber etwas schlechtere optische Transmission.
13.38Übersicht über die Vorlesung Solarenergie
1. Einleitung
2. Die Sonne als Energiequelle
3. Halbleiterphysikalische Grundlagen
4. Kristalline pn-Solarzellen
5. Elektrische Eigenschaften
6. Optimierung von Si-Solarzellen
7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen
8. Third Generation Photovoltaics
9. PV-Systemtechnik
10. Solarthermische Kraftwerke
11. Solarkollektoren
11.1 Grundlagen
11.2 Der Solarthermie-Markt
11.3 Kollektortypen
11.3.1 Schwimmbadheizung
11.3.2 Flachkollektor
11.3.3. Vakuumröhrenkollektor
11.4 Systemeinbindung
11.5 Kennwerte von Kollektoren
13.39Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad
KN K V o K V
2V 0 K K U 1 K K U
KN VK o
K K
Q (1 ) A E Q A E Q
Q k A (T T ) k A (T T ) ...
Q Q
A E A E
= τ ⋅ − ρ ⋅ ⋅ − = η ⋅ ⋅ −
= ⋅ ⋅ − + ⋅ ⋅ − +
η = = η −⋅ ⋅
& & &
&
& &
Kollektornutzleistung
Verlustleistung durch Konvektion + Strlg.
Kollektorwirkungsgrad
Thermische Verluste wachsen mit steigender Temperaturdifferenz vom Kollektor zur Umgebung.
Kollektorstillstandstemperatur um so niedriger je kleiner die Bestrahlungsstärke ist; z.B.E = 400 W/m2: δK0 = 75 °C
K K U(T T ) 0η − =
13.40Prinzipeller Verlauf von Wirkungsgradkennlinien
Außer den Konvektions- und Strahlungsverlusten des Kollektors entstehen weitere Verluste:
QLA + QZ in den Rohrleitungen beim Aufheizen der Rohre und Zirkulation des Wärmeträgermediums durch Wärmeübergang nach außen
QSp im Speicher durch Wärmeübergang durch die partiell isolierende Dämmschicht;Verluste um so größer je weiter die Speichertemperatur über der Außentemperatur liegt. Bei offenen Speicherbecken (Schwimmbad) kommen hinzu die Konvektions- und Strahlungsverluste und die dominanten Verdunstungsverluste.
Wird eine Nutzwärme QN gebraucht und eine Kollektornutzenergie QKN bereit-gestellt, so wird eine Zusatzenergie
zu N LA Z Sp KNQ Q Q Q Q Q= + + + −
benötigt. Der Anteil der an den Speicher abgegeben Energie zum Gesamtener-giebedarf heißt solarer Deckungsgrad
zuKN LA Z
N Sp N Sp
QQ Q QSD 1 0,5 0,6!
Q Q Q Q
− −= = − = −
+ +
13.43
Que
lle:
Öko
inst
itut,
Mar
ktüb
ersi
cht
The
rmis
che
Sol
aran
lag
en 9
4/9
5
100 %
0 %
75 %
50 %
25 %
Monat Jan AprFeb Mär Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Warmwasserbedarf
Solarertrag einer 25 m²- Anlage
Solarertrag einer 6 m²- Anlage
Raumwärmebedarf eines konventionellen Neubaus(WSVO´95)
Raumwärmebedarf eines Niedrigenergie-Gebäudes(“5-Liter-Haus”)
Heizenergiebedarf und Solarenergieangebot
13.44Energiefluss einer solarthermischen Anlage
6 m2 Flachkollektor mit Zwangsumlauf für Brauchwassererwärmung eines Haushalts;SD > 0,9 im Sommer, SD < 0,15 im Winter, Verlustangaben im Jahresmittel
Speicher bereits auf Maximaltemperatur oder Kollektortemperatur noch nicht ausreichend zum Beladen des Speichers
