Vorlesung Solarthermie - Unics.uni-hannover.de

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Vorlesung Solarthermie - Unics.uni-hannover.de

Vorlesung Technischer Ausbau

Thema

Solarthermie

Solarthermie

Physikalische Grundlagen; Prinzip

Sonnenernte; solare Deckungsrate

Anlagenkonzeptionen

Flachkollektoren, Vakuumkollektoren

Luftkollektoren

Langzeitspeicher

Kurzzeitspeicher

Beispiele


Solarthermie

Nutzung von Sonnenenergie (direkte und indirekte Strahlung)

durch Umwandlung in Wärme. Wärmeabgabe an ein strömendes

Medium (idR Wasser oder Wasser-Glycol-Mischung, Luft).

Konstruktionen: Kollektoren, Solarkollektoren

Solarthermie

Klassifikation: aktive Sonnenergienutzung, direktes

System zum Vergleich: passive

Maßnahmen idR baulich

indirekte Systeme: Wärmepumpen,

Geothermie


Charakteristische

Sonnenstrahlung

für

Deutschland

Quelle

RWE Bau-Handbuch

12. Auflage 1998

Solarthermie


Nutzungsmöglichkeiten

Sonnenenergie

aktive Systeme

passive Systeme

elektrische Nutzung

thermische Nutzung

Solarthermie

Hochtemperatur

Niedertemperatur

Schwimmbaderwärmung

Brauchwasserbereitung

Heizungsunterstützung


Karte der Sonneneinstrahlung

Kiel

Schwerin

Hamburg

Bremen

Solarthermie

Wettringen

Düsseldorf

Wiesbaden

Mainz

Saarbrücken

Stuttgart

Berlin

Hannover Potsdam

Magdeburg

Erfurt

München

Dresden

Durchschnittliche

Sonnenscheindauer

in Stunden pro Jahr

1300- 1400

1400- 1500

1500- 1600

1600- 1700

1700- 1800

1800- 1900


Leistung der Sonneneinstrahlung

Sonne

1400 W/m 2

Atmosphäre

Absorptionsverluste

300W/m 2

Streuungsverluste

100 W/m 2

Solarthermie

Erdoberfläche

Kollektornutzleistung

600- 1000 W/m 2

Diffuse Strahung

Kollektorverluste

200- 400 W/m 2


Vorgänge in der Erdatmosphäre

Reflexion

Erdatmosphäre

Streuung

Solarthermie

Absorption

Diffuse Strahlung

Direkte Strahlung

Bodenreflexion


Direkte und diffuse Strahlung

6 6

direkte Strahlung

diffuse Strahlung

4 4

2 2

kWh

m² d

Solarthermie

Monat

Jan

Feb

Mär

Apr

Mai

Jun

Jul

Aug

Sep

Okt

Nov

Dez

0 0


Mittelwerte der

Täglichen

Einstrahlung

Auf eine 30 GRD

geneigte

Fläche nach

den

kWh / m²d

Quelle

RWE

Bau-Handbuch

12. Auflage 1998

6

5

4

Sonneneinstrahlung im Jahr

DIREKTE STRAHLUNG

469 kWh/ m²a

JAHRESSUMME

1055 kWh/ m²a

3

Solarthermie

2

1

0

DIFFUSE STRAHLUNG

586 kWh/ m²a

Jan Feb März Apr Mai Juni Juli Aug Sept Okt Nov Dez


Sonnenhöhe über Deutschland

Sonnenstrahlen

Sonnenhöhe

Äquator

50 0 Nordpol

Solarthermie

Südpol


Sonnenhöhe 2

50 0 90 0

Nordpol

Sonnenstrahlen

Äquator

0 0

Solarthermie

Südpol


Deklination

23 0

Deutschland

Äquator

Solarthermie

Die Nord - Südpolachse der Erde

ist gegen die Ebene Erde - Sonne

um 23,45 0 schräg gestellt.


Sonnenhöhe

Winterbeginn 22.12

Herbstbeginn 23.09

17 0

Solarthermie

63 0

Sommersonnenwende

21/22 Juni

40 0 23 0 73 0

50 0

27 0

Frühlingsbeginn

21.03


Bestimmung der Schattenlänge

Gebäudehöhe H

Sonnenhöhe in Grad

70

60

50

40

30

20

10

0

Januar

Februa

April

Mai

Juni

Juli

August

September

Oktober

November

Dezember

Schattenlänge L

Winkel Faktor F

L = H / tanα oder

L = H / F

60 1,73

50 1,19

45 1

30 0,55

20 0,36

Solarthermie


Komponenten einer Solaranlage

Solarthermie

Sonnenkollektor

Solarkreis

Solarstation

mit

Regelung

Bivalenter

Speicher-

Wassererwärmer

Warmwasser

Kaltwasser

Heizkessel

mit

Regelung

Funktionen

! Solarkollektor:

Umwandlung der

Sonnenenergie in Wärme

! Solarkreis mit

Solarstation:

Wärmetransport vom

Kollektor zum Speicher-

Wassererwärmer

! Speicher-

Wassererwärmer:

Ausgleich zwischen

solarem Energieangebot

und Verbrauch

02-002-007-020


Solarkreislauf

Solarthermie

1 Kollektor

2 Kollektorfühler

3Entlüfter

4 Überspannungsschutz

5 Verrohrung und Isolation

6 Komplettstation

7 Absperrhähne

8 Schwerkraftbremse

9 Umwälzpumpe

10 Regelung

11 Füllhahn

12 Sicherheitsventil

13 Auffangbehälter

14 Ausdehnungsgefäß

15 Fühlerleitungen

16 Speicherfühler

17 Speicher

18 Wärmetauscher

19 Warmwassermischer

02-002-010-020


Solarthermie

Solarthermische Anlage mit Warmwasserspeicher; bei nicht ausreichender

Speicherwärme kann der Heizkessel das Trinkwasser erwärmen (1:Kollektor, 2:

Speicher, 3: Heizkessel, P1,P2: Pumpen)


Solarthermie

Thermische Solaranlage mit Einbindung der Solarkollektoren in das Heiznetz; das in der

Solarkollektoranlage (8) erwärmte Wasser erwärmt (7) den kombinierten Speicher (9); der

Solarkreis (4) wird mit Wasser-Monoethylenglycol betrieben; erzeugt die Kollektoranlage

ausreichend Wärme und wird kein Trinkwarmwasser (6) abgenommen wird Rücklaufwasser des

Heizkessels (10) vorgewärmt entnommen . (1):Solarregelung;(2,3,5) Temperatursensoren


Flachkollektor

Vorlaufanschluss

( Schlauchverbindung)

Fühlertauchhülse

Glasabdeckung

GFK- Rahmen

Stripabsorber

Solarthermie

Isoliermaterial

Rohrharfe

Gehäusewanne

Rücklaufanschluss


Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


AWO Leipzig

Solarthermie

Quelle: WWW.tu-chemnitz.de


Solarthermie

Maximalstrahlung der Globalstrahlung in W/m² für unterschiedliche

Neigungswinkel für 50° nördlicher Breite

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Solarthermie

Monatliche Sonnenstunden für den

Ort Würzburg

Heizenergiebedarf und

Solarenergieangebot

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Der Wirkungsgrad und die solare Deckungsrate von Kollektoren

ist wesentlich von der Ausrichtung (Himmelsrichtung und

Anstellungswinkel) abhängig

Ideale Aufstellung: (Aufstellungswinkel gegen Waagerechte)

Sommer:

Winter:

Süd; 30...40 GRD C

Süd; 45...65 GRD C

Solarthermie

Ganzjährig:

Süd; 40..45 GRD C


Der Wirkungsgrad von Solarkollektoren

kann durch Spiegel verbessert werden

Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Bauarten von Kollektoren

Solarkollektoren

Fla ch ko llekt o ren Vakuumkollektoren Speicherkollektoren Lu f t k o lle k t o re n

Solarthermie


Beispiel: Flachkollektor

Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Solarthermie

Quelle: WWW.e-albrecht.de


Funktion Flachkollektor

Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Solarthermie

Quelle: WWW.e-albrecht.de


Beispiel

Röhrenkollektor

Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Das Prinzip der Vakuumkollektoren

Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Röhrenkollektoren können durch Verstellung des Absorbers flexibel angeordnet

werden

Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Solarthermie


Kühlen mit der Sonne?

Solarthermie

Solare Kühlung; prinzipieller Unterschied zwischen Antrieb mit

Photovoltaik (links ) und thermischer Antrieb (rechts)


Solarthermie

Solar unterstützte Kühlung mit Desiccant Cooling Systems (DCS) mit

rotierendem Trocknungsrad; 1: Solarkollektor; 2: Speicher; 3: Heizkessel; 4:

Rotationswärmetauscher; 5:Wärmerückgewinnung; 6: Befeuchter; 7: solare

interne Lasten


Solarkollektoren mit Luft als Wärmeträger?

Solarthermie

Luft-Solarkollektor zur Vorerwärmung der Außenluft; AU:Außenluft; FO: Fortluft;

ZU: Zuluft; AB: Abluft; RLT: Raumlufttechnisches Zentralgerät mit

Wärmerückgewinnung


Solarthermie

Luftkollektor für solare Nutzung im geschlossenen System; Wärmeabgabe

über Bauteilaktivierung und Speicherung bei Überschusswärme im

Pufferspeicher


Solarthermie

Fassadenintegrierte Solar-Luftkollektoren zur Vorerwärmung der

Außenluft vor Eintritt in die RLT-Anlage


Solarthermie

Solar-Luftkollektor mit gebäudeintegriertem Wärmespeicher


Solarthermie

Luft-Solarkollektor zur Vorerwärmung der Außenluft; AU:Außenluft;

FO: Fortluft; ZU: Zuluft; AB: Abluft; RLT: Raumlufttechnisches

Zentralgerät mit Wärmerückgewinnung


Luftkollektoren werden in der Landwirtrschaft erfolgreich

eingesetzt: hier Trocknung von Heuballen

Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Das Thermosiphonprinzip:

Bedingung: Der Speicher

muss über der

Kollektorebene liegen!!

Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Solarthermie

Quelle: Ulrich Fox

Sonnenkollektoren 1998


Solarthermie

Kiesspeicher als saisonaler Wärmespeicher für ein solares

Nahwärmekonzept mit thermischen Solarkollektoren


Solarthermie


Oberschulenzentrum in Bruneck/Südtirol

der Jahreswärmebedarf

beträgt 2709857 kWh/a

Solarthermie

750 m² Quadratmeter

Kollektorfläche

Quelle: Viessmann

Das Heiztechnik-Magazin 2000 Ausgabe1


Solarthermie

Studentenwohnheim Zwickau

Quelle: WWW.tu-chemnitz.de


Solarthermie

Studentenwohnheim Leipzig

Quelle: WWW.tu-chemnitz.de


AWO Leipzig

Solarthermie

Quelle: WWW.tu-chemnitz.de


Solarthermie

Quelle: WWW.e-albrecht.de


Solarthermie

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