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) ENERGIESYSTEME 1. TEIL PRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE

Einstrahlungsrichtung der diffusen Strahlung 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. S D1 A  D2   r B 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. ENERGIESYSTEME 1. TEIL PRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE

Beleuchtungsdichte/Wm-2 PRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE Solare Einstrahlungsdichte an einem wolkenlosen Tag (16.7.1969) bei Sutton Bonington (53°N, 1° W). igl = totale Einstrahlung idir = direkte Einstrahlung auf eine horizontale Fläche Beleuchtungsdichte/Wm-2 idif = diffuse Einstrahlung Sonnenhöhewinkel h Der Anteil der diffusen Einstrahlung hängt auch bei klarem Himmel von der Länge des Weges durch die Atmosphäre ab. ENERGIESYSTEME 1. TEIL PRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE

PRIMÄRENERGIETRÄGER 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: ENERGIESYSTEME 1. TEIL PRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE

PRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE 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: ENERGIESYSTEME 1. TEIL PRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE

Einstrahlung bei Bewölkung Atmosphärische Transparenz (clearness factor):   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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL PRIMÄRENERGIETRÄGER 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/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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL PRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE

Typische Werte der Globalstrahlung Globalstrahlung der Erde ENERGIESYSTEME 1. TEIL PRIMÄRENERGIETRÄGER SONNE

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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Einleitung 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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

SOLARSYSTEME 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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

SOLARSYSTEME 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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Thermoölen, Salzschmelzen, flüssiges Metallen oder Inertgase erlauben den Betrieb bei Temperaturen über 150°C Bei hohen Konzentrations- verhältnissen wird die zweiachsige Nachführung sinnvoll Flachkollektoren und Vakuumröhren verwenden Wasser bis 150°C, wobei über 100°C die Kreislaufauslegung höhere Betriebsdrücke zulassen muss Bei den Solarteichen kann die Salzlösung ebenfalls direkt ohne druckführende Leitungen umgepumpt werden In den Schlauchmatten kann Wasser nur drucklos umgewälzt werden ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

SOLARSYSTEME 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 thermische Isolierung an den nicht beschienen Seiten des Kollektors eine Umschließung, in welche die bereits genannte optisch transparente Abdeckung integriert ist ein Wärmeabfuhrsystem, das die Wärme vom Absorber aufnimmt und aus dem Kollektor transportiert eine selektiv beschichtete Absorber- oder Empfängerplatine, die die Einstrahlung absorbiert ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Flachkollektoren ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE Röhrenkollektoren ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

Wirkungsgrad von nicht-konzentrierenden Solarkollektoren ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE idir = Direktstrahlung idif =diffuse Einstrahlung igl = Globalstrahlung θ = Auftreffwinkel der Direkt-strahlung  = Neigungswinkel des Kollektors Solare Einstrahlung flächen-bezogen auf die Apertur oder Frontseite des Kollektors: Strahlung Konvektion Wermäleitung  = Transmissionskoeffizient der frontseitigen Kollektorabdeckung Strahlung Konvektion  = Absorbtionskoeffizient im Wellenlängenbereich der solaren Einstrahlung Wermäleitung Wärmeverluste: kges = Wärmeübergangskoeffizient TA = Temperatur der Empfänger- oder Absorberplatine Strahlung Konvektion ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE TU = Umgebungstemperatur

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: ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE W/m2 i=600 W/m2 = 0,9 kges = 4,0 W/m2K TA-TU W/m2 i=800 W/m2 Die Absorbertemperatur, bei der die Nutzleistung zu Null wird, nennt man Stillstandstemperatur TA-TU ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE kFront = Gesamtwärmeübergangskoeff. Frontseitig kA-Gl = Wärmeübergangskoeff. Absorber-Glas kGl-U = Wärmeübergangskoeff. Glas-Umgebung Gl = Dicke der transparenten Abdeckung (Glasscheibe) Gl = Wärmeleitfähigkeit der transparenten Abdeckung (Glasscheibe) ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE  = 5,6710-8Wm-2K-4 (die Stefan-Boltzmann-Konstante) TA/Gl = thermodynamische Temperaturen des Absorbers bzw. der Glasabdeckung in oK  = Emissionskoeffizient des Absorbers bzw. von Glas ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE  = Absorbtionskoeffizient des Absorbers im Wellenlängenbereich der solaren Einstrahlung ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

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SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE  i=790W/m2 TA-TU 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 ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

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Kollektoren mit konzentrierenden Systemen Kollektor mit einachsig, parabolisch gekrümmtem Reflektor mit der Aperturfläche FA und rundem Absorber oder Empfänger mit dem Querschnitt FE in einem Glashüllrohr ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

SOLARSYSTEME 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 igl   Reflexionskoeffizient des konzentrierenden Spiegels   Auffangfaktor, dies ist der Anteil der reflektierten Strahlung, der tatsächlich den Absorber trifft ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

Optische Grenzen des Konzentrationsverhältnisses  = 5,6710-8Wm-2K-4 TS TE   ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE

SOLARSYSTEME 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° ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME 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] 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 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 8.00 Akzeptanzwinkel und Nachführhäufigkeit bei Ost/West-Ausrichtung der Kollektorachse für Ideale Konzentration und perfekte Spiegel bei punktförmiger Sonne ENERGIESYSTEME 1. TEIL SOLARSYSTEME ZUR GEWINNUNG VON THERMISCHER ENERGIE