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ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Nicht-abbildende und abbildende Konzentratoren Compound-Parabolic Concentrator.

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Präsentation zum Thema: "ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Nicht-abbildende und abbildende Konzentratoren Compound-Parabolic Concentrator."—  Präsentation transkript:

1 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Nicht-abbildende und abbildende Konzentratoren Compound-Parabolic Concentrator mit rundem Absorber (nicht-abbildende) Parabolrinne (abbildende)

2 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Compound-Parabolic Concentrator (CPC) mit einem flachen Absorber (volle) Die Parabelachsen verlaufen parallel zu den Schattenlinien, die von den Konturenden ausgehen und auf die gegenüberliegenden Absorber- enden treffen Der Winkel zwischen diesen beiden Schattenlinien ergibt den doppelten Akzeptanzwinkel

3 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Nachteile von CPC-Konzentratoren

4 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Die V-Rinne

5 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Die Parabolrinne (Parabolic-Trough-Concentrators, PTC) alle parallel in Richtung der Parabelachse einfallenden Strahlen werden vom Spiegel auf den Brennpunkt reflektiert, an dem sich der Absorber befindet der zulässige Akzeptanzwinkel hängt auch von dem Abstand zwischen Absorber und Reflektor ab

6 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)

7 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Reflektorbedingte Grenzen des Konzentrationsverhältnisses = Absorptionskoeffizient des Absorbers = Transparenz des Glashüllrohres = Reflexionskoeffizient des Parabolspiegels = Auffangfaktor, d. h. der Anteil, der den Absorber erreicht >1 => Korrekturfaktor zur Berücksichtigung, daß ein Teil der Einstrahlung den Empfänger direkt trifft und keinen Reflexionsverlusten unterliegt g = nutzbarer Anteil der diffusen Strahlung i = Einstrahlung Der optische Fehler des Reflektors: Die Standardabweichung des reflektierten Strahles: Die optische Wirkungsgrad:

8 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Reflektorbedingte Grenzen des Konzentrationsverhältnisses Standardabweichung tot = 0, was den Idealfall darstellt tot = rad, was einem Spiegel hoher Qualität gleicht tot = 1, rad tot = 2, rad

9 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Einteilung des Konzentrationsverhältnisses nach praktischen Gesichtspunkten Konzentrationsfaktor, Akzeptanzwinkel, Nachführung, Reflektorqualität und -geometrie bedingen sich gegenseitig - sie machen die Eigenschaften eines Konzentrators als Ganzes aus und ermöglichen eine Vielzahl von konstruktiven Lösungen k<2 Spiegelfolien erlauben die Herstellung von Konzentratoren mit engen Krümmungen - damit können CPCs für Röhrenkollektoren hergestellt werden, die bei Ost/West-Ausrichtung ohne Nachführung auskommen k>2 Die CPC-Kontur wird meist gekürzt, weil kleinere Akzeptanzwinkel eine Nachführung erforderlich machen - die Nachführung bleibt auf mehrere Male im Jahr beschränkt und kann manuell vorgenommen werden.

10 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Einteilung des Konzentrationsverhältnisses nach praktischen Gesichtspunkten k>3 o Die Parabolrinnen kommen mit kleineren Konturlängen aus, so daß sie CPC-Konzentratoren vorgezogen werden - außerdem vermeiden sie Mehrfachreflexionen o Die Konzentratoren können mit großen Toleranzen und aus Spiegelfolien von Standardproduktionen gefertigt werden o Je nach Standort genügen bei Ost/West ausgerichteten Nachführachsen und täglichen Betriebszeiten von etwa 4 Stunden um die Mittagszeit manuelle Nachführung, etwa wöchentlich o Die Nachführung bei Nord/Süd-Achse läßt sich mit elektronischen Schaltungen und Synchronmotoren bewerkstelligen

11 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Einteilung des Konzentrationsverhältnisses nach praktischen Gesichtspunkten k>10 o Die Konzentratoren müssen eine gute Qualität aufweisen o Auch bei Ost/West-Ausrichtung der Nachführachse werden tägliche Nachführungen notwendig o Nord/Süd- oder polare Nachführungen bieten über den Tag gleichmäßigere Leistungsverteilungen o Die Verwendung von Parabeln mit großen Brennweiten ergeben geringere Krümmungen am Scheitel - sie ermöglichen die Verwendung von Glasspiegeln o Mit einem geringeren Akzeptanzwinkel verlangen sie jedoch höhere Spiegelqualitäten und Nachführgenauigkeiten - eine PC-angesteuerte Nachführung über eine Berechnung der Nachführwinkel müßte die entsprechenden Formeln mit hoher Genauigkeit umsetzen

12 ENERGIESYSTEME 1. TEILPRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE Nachführung um die Ost/West-Achse Maximum der Einstrahlungsleistung: Bei permanenter Nachführung um die Ost/West-Achse trifft die Direktstrahlung auf den Kollektor mit dem Winkel O/W :

13 ENERGIESYSTEME 1. TEILPRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE Nachführung um die Nord/Süd-Achse Maximum der Einstrahlungsleistung: Für eine Ebene, die sich um eine Nord/Süd-Achse dreht, folgt bei kontinuierlicher Nachführung der Auftreffwinkel aus:

14 ENERGIESYSTEME 1. TEILPRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE Bei der kontinuierlich polar nachgeführten Ebene variiert der Auftreffwinkel pol nur im Bereich der Deklination: Die Drehung um die polare Achse entspricht dem Stundenwinkel. Die Verluste bei der einachsigen polaren Nachführung durch die Abweichung von der senkrechten Einstrahlungsrichtung sind maximal 1-cos23,45°, also ca. 8%. Die polare Nachführung

15 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Wärmeübertragungsarten geringere Wärmeverluste des Kollektors verbessern den solaren Wirkungsgrad dazu sollten einerseits alle Wärmeübergänge beginnend am Absorber über die verschiedenen Kollektoreinbauten und den Kollektorkasten zur Umgebung möglichst klein sein die Verluste hängen auch von der Absorbertemperatur bzw. von der Temperaturdifferenz (T A -T U ) ab wenn die Verbrauchertemperatur vorgegeben ist, müssen alle Temperaturdifferenzen, die für den Wärmetransport vom Absorber zum Verbraucher benötigt werden, möglichst klein sein der Wärmeträgerkreislauf muß mit günstigen Wärmeübergängen ausgelegt sein Wärmeübergänge beeinflussen somit die Wärmebilanz und den Wirkungsgrad

16 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Wärmeübergänge: Leitung Konvektion Strahlung Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik: Wärme fließt stets in Richtung abnehmender thermodynamischer Temperatur über die Systemgrenze Meist spielen bei den Wärmeübergängen nur Temperaturdifferenzen eine Rolle Man verwendet daher Temperaturen als Differenzen zwischen der thermodynamischen Temperatur T und der Bezugstemperatur T 0 : = T-T 0 Mit der Bezugstemperatur T 0 = 273,15 o K stimmt mit der Celsiustemperatur überein

17 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Wärmeleitung konvektive Wärmeübergang Wärmestrahlung

18 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Wärmeleitung x in einem Medium strömt die Wärme längs eines Temperatur- gefälles die Wärmestromdichte oder der Wärmestrom bezogen auf die Einheitsfläche senkrecht zur x-Richtung Wärmeleitfähigkeit des Wandmaterials

19 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Das Temperaturfeld: Der Temperaturgradient: e x, e y, e z die Einheitsvektoren der drei Koordinatenrichtungen Die Wärmestromdichte: Das Grundgesetz der Wärmeleitung (Fourier, 1822): In einem dreidimensionalen Temperaturfeld gibt das Vektorfeld der Wärmestromdichte : x Stelle t Zeit Der Wärmestrom durch ein Flächenelement dA an der Stelle x: n der Einheitsvektor in Richtung der Flächennormalen. der Winkel zwischen n und q

20 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE die mittlere relative Geschwindigkeit die mittlere freie Weglänge l die Wärmeleitfähigkeit die Wärmeleitung Energieaustausch bei der Wechselwirkung von Teilchen mit höherer Energie und Teilchen mit geringerer Energie einer Substanz in Metallen Leitungselektronen transportiert in Isolatoren Phononen in Gasen Stöße der Gasatome oder Moleküle bei ihren Zufallsbewegungen diese Energie bezieht sich auf Translations- als auch Rotationsenergie höhere Temperaturen sind gleichbedeutend mit höheren molekularen Energien

21 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Die mittlere Geschwindigkeit der Gasatome

22 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Die mittlere freie Weglänge r1r1 =A= d 2 r2r2 =A= (r 1 +r 2 ) 2 l mittlere freie Weglänge Stoßquerschnitt n Atomdichte des Gases

23 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Wärmeleitfähigkeit das Vermögen eines Festkörpers, einer Flüssigkeit oder eines Gases, thermische Energie in Form von Wärme zu transportieren Wärmeleitung durch einen gasgefüllten ebenen Spalt f = Zahl der Freiheitsgrade - je nach Molekülart 3 der Translation und 3 der Rotation n = Teilchenzahldichte /cm -3 / k = Boltzmann-Konstante = 1, JK -1 l = mittlere frei Weglänge der Gasatome T = absolute Temperaturν = Geschwindigkeit der Gasatome

24 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Wärmestrom nach unten: Wärmestrom nach oben: =>

25 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Gas C 1 (p 0 ) m C 2 [K] H 2 N 2 O 2 He Ne Ar Kr Xe H 2 O CO CO 2 105, , ,9 70,3 59,6 48, , Druckabhängigkeit der mittleren freien Weglänge Die Gefäßdimensionen : der Abstand der Wände die Dimensionen der Poren (l Gas >> ) p 0 =133Pa

26 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Druckabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit die Restgas-Wärmeleitfähigkeit: Kn - die sogennante Knudsen-Zahl: 0 - die Wärmeleitfähigkeit des Gases bei Normaldruck - Gewichtungsfaktor: - Akkommodationskoeffizient: 0.3 für die leichten Gase und 1 für schwere Gase - das Verhältnis der spezifischen Wärmen bei konstantem Druck bzw. Volumen : k - Korrekturgröße zur spezifischen Wärme des Gases

27 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE [ o C] Gas-182,6-78, H2H2 2,35-2,03-2,12-2,19 N2N2 --1, O2O2 --1, Luft-1,941,951,9451,943-- CO--1, CO 2 -1,8051,671,601,561,55- H2OH2O---1,411,3951,411,425 He--2,43--- Ne--2,50--- Ar--2,49--- Kr--2,49--- Xe--2,54---

28 ENERGIESYSTEME 1. TEILSOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Druckabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit die Restgas-Wärmeleitfähigkeit: Kn - die sogennante Knudsen-Zahl: 0 - die Wärmeleitfähigkeit des Gases bei Normaldruck - Gewichtungsfaktor: - Akkommodationskoeffizient: 0.3 für die leichten Gase und 1 für schwere Gase - das Verhältnis der spezifischen Wärmen bei konstantem Druck bzw. Volumen : k - Korrekturgröße zur spezifischen Wärme des Gases Gas wird klein: möglichst klein wählt (Edelgase) eine möglichst große Knudsen-Zahl anstrebt (mit sehr feinen Poren)


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