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ENERGIESYSTEME 1. TEILPRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE Einstrahlungsrichtung der diffusen Strahlung Relative Intensität der solaren diffusen Strahlung (bei λ

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Präsentation zum Thema: "ENERGIESYSTEME 1. TEILPRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE Einstrahlungsrichtung der diffusen Strahlung Relative Intensität der solaren diffusen Strahlung (bei λ"—  Präsentation transkript:

1 ENERGIESYSTEME 1. TEILPRIMÄRENERGIETRÄGER 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)

2 ENERGIESYSTEME 1. TEILPRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE 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~cos 2 /r 2 Für die Polarisationsrichtung senkrecht zu SAB (D2) gilt I ~ 1/r 2, denn hier schwingt der Dipol senkrecht zu AB. D1+D2: I~1+cos 2 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

3 ENERGIESYSTEME 1. TEILPRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE Beleuchtungsdichte/Wm -2 Sonnenhöhewinkel h i dir = direkte Einstrahlung auf eine horizontale Fläche i dif = diffuse Einstrahlung i gl = totale Einstrahlung Solare Einstrahlungsdichte an einem wolkenlosen Tag ( ) 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.

4 ENERGIESYSTEME 1. TEILPRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE 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: 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:

5 ENERGIESYSTEME 1. TEILPRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE Neuschnee0,75 - 0,95 Altschnee0,40 - 0,70 Sandboden0,15 - 0,40 Wiesen und Felder0,12 - 0,30 Straßen und Häuser 0,15 - 0,25 Wälder0,05 - 0,20 dunkler Fußboden0,07 - 0,10 Wasser0,03 - 0,10 Reflexionsgrade für Solarstrahlung Die Globalstrahlung auf eine Kollektorfläche wird dann:

6 ENERGIESYSTEME 1. TEILPRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE Einstrahlung bei Bewölkung Atmosphärische Transparenz (clearness factor): Jan.MärzMaiJuliSept.Nov. Bochum (51,17°) 0,2740,4410,4970,4840,4980,321 Hamburg (53,63°) 0,4320,5690,6450,6020,6360,402 Hannover (52,47°) 0,3480,5380,6000,5560,5770,431 Karls. (49,02°) 0,4140,6180,7710,7770,6700,376

7 ENERGIESYSTEME 1. TEILPRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE 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/m 2 (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/m 2 y vor

8 ENERGIESYSTEME 1. TEILPRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE Typische Werte der Globalstrahlung Globalstrahlung der Erde

9 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Solarsysteme zur Gewinnung von thermischer Energie Einleitung Kollektoren Wärmeübertragungsarten Gebrauchsformeln für den Druckverlust und Wärmeübergang Für Kollektoren typische Wärmeübergangsarten Transparente Wärmedämmung Simulation von Kollektor-Leistungserträgen - f-chart- Methode Energiekosten bei Solaranlagen Betriebsergebnisse Wärmespeicher

10 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE 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

11 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE 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

12 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE 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

13 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE 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

14 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Kollektoren Flachkollektor 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

15 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Flachkollektoren

16 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Röhrenkollektoren

17 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Wirkungsgrad von nicht-konzentrierenden Solarkollektoren

18 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE i dir = Direktstrahlung i gl = Globalstrahlung Wärmeverluste: T A = Temperatur der Empfänger- oder Absorberplatine i dif =diffuse Einstrahlung Solare Einstrahlung flächen- bezogen auf die Apertur oder Frontseite des Kollektors: T U = Umgebungstemperatur k ges = Wärmeübergangskoeffizient θ = Auftreffwinkel der Direkt- strahlung = Neigungswinkel des Kollektors = Transmissionskoeffizient der frontseitigen Kollektorabdeckung = Absorbtionskoeffizient im Wellenlängenbereich der solaren Einstrahlung Strahlung Konvektion Wermäleitung

19 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE 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: Nach Division mit der Einstrahlungsleistung folgt der Wikungsgrad:

20 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE W/m 2 = 0,9 k ges = 4,0 W/m 2 K T A -T U i=600 W/m 2 i=800 W/m 2 Die Absorbertemperatur, bei der die Nutzleistung zu Null wird, nennt man Stillstandstemperatur

21 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE k Front = Gesamtwärmeübergangskoeff. Frontseitig k A-Gl = Wärmeübergangskoeff. Absorber-Glas k Gl-U = Wärmeübergangskoeff. Glas-Umgebung Gl = Dicke der transparenten Abdeckung (Glasscheibe) Gl = Wärmeleitfähigkeit der transparenten Abdeckung (Glasscheibe)

22 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE = 5, Wm -2 K -4 (die Stefan-Boltzmann-Konstante) T A/Gl = thermodynamische Temperaturen des Absorbers bzw. der Glasabdeckung in o K = Emissionskoeffizient des Absorbers bzw. von Glas

23 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE A = Absorbtionskoeffizient des Absorbers im Wellenlängenbereich der solaren Einstrahlung

24 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

25 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

26 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE KurveKollektortypWirkungsgradbeziehung 1Kissenabsorber 2Flachkollektor mit guter selektiver Schicht 3Vakuumröhren 4Vakuumflachkollektor 5Kollektorkasten wie Vakuumflachkollektor jedoch mit seitlicher und rückwärtiger Isolierung 6Flachkollektor mit Glas+Folien-Abdeckung T A -T U i=790W/m 2

27 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

28 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Kollektoren mit konzentrierenden Systemen Kollektor mit einachsig, parabolisch gekrümmtem Reflektor mit der Aperturfläche F A und rundem Absorber oder Empfänger mit dem Querschnitt F E in einem Glashüllrohr

29 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Nutzleistung und Wirkungsgrad von Kollektoren mit konzentrierenden Systemen Koeffizienten: Transmissionsverluste am Hüllrohr Absorptionsverluste am Absorber z Anteil der Direktstrahlung an i gl Reflexionskoeffizient des konzentrierenden Spiegels Auffangfaktor, dies ist der Anteil der reflektierten Strahlung, der tatsächlich den Absorber trifft

30 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Optische Grenzen des Konzentrationsverhältnisses 2 S = 0,54° = 32 TSTS = 5, Wm -2 K -4 TETE

31 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Der Akzeptanzwinkel Konzentrierende Kollektoren müssen dem Sonnenstand nachgeführt werden Während der Zeitspanne ohne Spiegelnachführung darf der Sonnenstand nur inner­halb des Akzeptanzwinkels variieren Wenn z. B. ein polar ausgerichteter Kollektor am Tag der Tagund­nachtgleiche 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°

32 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Halber Akzeptanz- winkel max Mittlere Betriebszeit pro Tag Nachführungen pro Jahr kürzeste Periode ohne Nachführung mittlere Betriebszeit bei täglicher Nachführung [h/d][Tage][h/d] 19.5° (k=3.0) ° (k=4.13) ° (k=5.24) ° (k=6.39) ° (k=7.19) ° (k=8.21) ° (k=8.83) ° (k=9.57) ° (k=10.43) Akzeptanzwinkel und Nachführhäufigkeit bei Ost/West-Ausrichtung der Kollektorachse für Ideale Konzentration und perfekte Spiegel bei punktförmiger Sonne


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