Mitteilungsblatt 1 - 2013

Österreichischer Email Verband

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Mitteilungsblatt Fachinformationen und Mitteilungen aus dem Verbandsgeschehen

Inhalt - Fokussierende Solarkollektoren (PTC = Parabolic Through Collector) mit schwarz emaillierter Empfängerröhre Lobbying“ für Email in der Europäischen Union

Österreichischer Email Verband, Mühlengasse 32, 3400 Klosterneuburg Tel:+43(0)2243 26413, e-mail:[email protected] Internet: www.oev.org

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Fokussierende Solarkollektoren (PTC = Parabolic Through Collector) mit schwarz emaillierter Empfängerröhre Davide Fissi 1, Maurizio De Lucia 1, Silvano Pagliuca 2 2 I.E.I.

Secretary General, Via G.Carducci,13-46100 Mantova (Italy)

Anmerkung: Die Übersetzungen von Italienisch nach Englisch nach Deutsch bringen kuriose Satzstellungen und Worte hervor. Sie wurden nicht vom ÖEV veranlasst. Doch kann man verstehen was die Autoren vermitteln wollten.

Allgemein Heute wird der Industrie die Möglichkeit angeboten erneuerbare Energien, erzeugt durch die solarthermische Anlagen zu verwenden. Diese sind der Lage, sowohl Wärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus, als auch Kühlenergie durch die Kopplung der Solaranlage mit einer Absorptionskältemaschine zu erzeugen. In den letzten Jahren haben sich die Forschungsaktivitäten an der Entwicklung von Solarkollektoren orientiert,, die in der Lage sind, Wärme bei Temperaturen von ca. 200 o C zu erzeugen, die sowohl für industrielle Prozesse, als auch für die Energieversorgung einer Absorptionskältemaschine und Kühlenergie Produktion geeignet ist. Zu diesem Zweck hat man an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität von Florenz Parabelrinnen-Kollektoren (PTC)-Prototypen konstruiert, die mit emaillierten Rohr-Empfängern, ausgestattet sind. Sie sind so ausgelegt, dass sie für den Prozess Wärmeerzeugung bei einer Temperatur im Bereich von 100 - 250 ° C und für Solar Heating & Cooling Anwendungen (SHC) Anwendung finden können. Derzeit sind an der Universität von Florenz zwei verschiedene Parabelinnenkollektoren (Prototypen) AbAbbildung 1 –PTC – 40 m2 Fläche /20 m Rohrlänge bildung 1, Abbildung 2 mit gesamt 70 m2 Spiegelfläche und 40 m Rohrlänge des Empfängers installiert. In den letzten zwei Jahren wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um die tatsächliche thermodynamische Leistung der Solarkollektoren zu bestimmen. In diesem Vortrag werden die wichtigsten Merkmale der PTC-Kollektoren mit dem besonderen Schwerpunkt auf die technisch-wirtschaftlichen Vorgaben für die Gestaltung des Sammlers, auf die Gestaltung und Bewertung der Emailbeschichtung mit hohem Absorptionsgrad dargestellt. Ausserdem werden das Emaillierverfahren für die Herstellung der Empfänger-Tube, und die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Beschichtung beschrieben. Optische Messungen wurden auf der Beschichtung durchgeführt, um die Leistung zu bewerten. Die Ergebnisse sollten Vergleiche der Email-basierte Beschichtung mit den anderen technischen Lösungen, die auf dem Markt erhältlich sind und vorläufigen Schätzungen der erwarteten thermodynamischen Leistung der Empfänger -Rohren liefern. Die Ergebnisse der experimentellen Kampagnen werden in diesem Beitrag zusammen mit einer vergleichenden Analyse der realen Leistungsfähigkeit der Email-basierte Beschichtung mit den alternativen Lösungen technischer und wirtschaftlicher Hinsicht präsentiert.

Abbildung 2 – PTC – 30 m2 Fläche /20 m Rohrlänge

Einführung Die Sonnenstrahlung ist eine hohe Temperatur- und Energiequelle, die mit konzentrierenden Solaranlagen genutzt werden kann. Konzentrierende Solaranlagen werden durch ihre Fokus- Geometrie als Punkt-FokusKonzentratoren (zentrale Empfänger -Systeme und Parabolspiegel) oder Linie-Fokus-Konzentratoren (Para2

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Österreichischer Email Verband bolrinnen Sammler (PTCs) Fresnel-Kollektoren [1] klassifiziert.

und

bei Temperaturen im Bereich von 100-250 ° C und für Solar Heating & Cooling (SHC) [3] Anwendungen konstruiert. Das Design der PTC-Geometrie wurde zunächst auf die Optimierung des optischen Wirkungsgrades der Kollektoren und dann auf die Maximierung der Energieeffizienz ausgelegt. Die Auswirkung, die von der Parabelform, sowie Fehler in der der Positionsverfolgung zur Sonne, werden durch Ray-Tracing-Analyse analysiert. Darüber hinaus wurden durch die Analyse der Auswirkungen von Windlasten die Toleranzgrenzen der Verformungen für die Herstellung von PTCs definiert. Sobald die Geometrie des Systems definiert wurde, zentrierte sich die Arbeit auf die der Gestaltung der Beschichtung des Empfängerrohrs. Viele Lösungsansätze wurden untersucht mit dem Ziel, den besten Kompromiss zwischen Energieeffizienz, Herstellungskosten und Haltbarkeit zu finden. Unter ihnen befanden sich eine mehrlagige Beschichtung aufgebracht mit physikalischem Aufdampfverfahren , [Physical Vapour Deposition (PVD)] [4], eine schwarz-Chrom und eine Email-Beschichtung [5]. Sie wurden im Hinblick auf die spektralen Eigenschaften, Haftung und Abriebfestigkeit, sowie Korrosion unter atmosphärischen Bedingungen ausgewertet. Schliesslich wurde die Email-Beschichtung aufgrund seiner hohen Korrosionsbeständigkeit, Abriebfestigkeit und den niedrigen Herstellungskosten für die PTC-Empfänger ausgewählt, selbst wenn die spektralen Eigenschaften nicht optimiert waren. Zwei verschiedene PTC Prototypen sind an der Universität von Florenz (70 m2 Akzeptanz Fläche und 40 m Rohrlänge des Empfängers) installiert. In den letzten zwei Jahren wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um die reale thermodynamische Leistung der Solarkollektoren zu bestimmen.

lineare

Parabolrinnenkollektor

Fresnel Kollektor

PTCs fokussieren direkte Sonnenstrahlung auf eine Brennlinie auf der Sammler-Achse. Ein Empfängerrohr mit einer Wärmeträgerflüssigkeit im Inneren, absorbiert die konzentrierte Sonnenenergie von den Rohrwänden und erhöht seine Enthalpie (die innere Energie, d.h. Wärme, plus das Produkt aus Druck und Volumen). Der Kollektor ist mit einem einachsigen Solar-Tracking ausgestattet, um sicherzustellen, dass die Solar-Strahlen parallel zu seiner Achse liegen. PTCs können nur direkte Sonnenstrahlung, Strahlenbündel oder direkte Normaleinstrahlung (DNI) genannt, d. h. den Anteil der Sonnenstrahlung, der nicht durch Wolken, Rauch oder Staub in der Atmosphäre abgelenkt wird, verwenden. PTC-Anwendungen lassen sich in zwei Hauptgruppen unterteilen. Die ersten sind die „konzentrierte Sonnenenergie“ Erzeugungsanlagen (CSP). Die Betriebstemperaturen liegen zwischen 300 ° und 400 ° C, typische Maschenweiten sind über 6 m, Gesamtlänge sind 100 bis 150 m und ausgelegt für 20 bis 30 Jahre. Die andere Gruppe von Anwendungen erfordert Temperaturen zwischen 100 ° und 250 ° C. Diese Anwendungen sind hauptsächlich für industrielle Prozesswärme (IPH), Niedertemperatur-Wärmebedarf mit hohem Verbrauch (Brauchwasser (WW), Raum- und Schwimmbadheizungen und wärmegetriebene Kühlungen. Typische Maschenweiten sind zwischen 1 und 3 m. Gesamtlängen zwischen 2 und 10 m und ausgelegt für 15 bis 20 Jahre.

PTC Kollektoren Die PTC-Technologie Abbildung 1 – PTC Kollektor zeigte seit dem Beginn an die interessantesten Eigenschaften hinsichtlich des thermischen Wirkungsgrades, und der ge sammelten Energie. PTCs haben geringe Wärmeverluste, relativ zu anderen Sammler-Typen, besonders bei erhöhten Temperaturen, weil die Sonnenstrahlung auf einem linearen Absorber konzentriert wird, deren Fläche kleiner als die der klassischen Absorber ist. Wärmeverluste sind abhängig von dem optischen Wirkungsgrad der reflektierenden Struktur, von dem Absorber-Sektion Bereich, von den Materialien und von der Betriebstemperatur. Je höher die Vorlauftemperatur ist, desto höher sind die Wärmeverluste, auch wenn es keine lineare Abhängigkeit (es ist etwa quadratisch) gibt. PTC Kollektoren sind durch vier Teilkomponenten gekennzeichnet: Konzentrator, reflektierende Oberfläche (Reflektor), das Absorberrohr (Receiver) und das Tracking- System. (Abbildung 1)

In den letzten Jahren hat sich die Energie Engineering Abteilung der Universität von Florenz auf die Entwicklung von kleinräumigen PTC Kollektoren, die für die Anwendung in industriellen Prozessen und für die kombinierte Erzeugung von Wärme und Kühlenergie (SHCAnlage) [2] geeignet sind, konzentriert. Ein PTC Sammler mit einem Rohr-Empfänger, der mit einer emaillierten Oberfläche beschichtet ist, wurde zur Erzeugung von Wärme 3

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PTCs sind leicht zu installieren weil, auch wenn viele Operationen für die Ausrichtung der Kollektoren benötigt werden, die Montage der Bauteilen durch die Verwendung von vorgefertigten Teilen erleichtert wurde. Die Kollektoren sind mit der Berücksichtigung der Möglich-

Der Reflektor besteht im Allgemeinen aus einer Tragkonstruktion, die ein reflektierendes Material unterstützt, welches auf dem Markt erhältlich ist (Spiegel aus Glas, Aluminium, versilbertes Polymer) Es hat eine parabol Form und ist mit einer entsprechenden Festigkeit gestalten, um gegen Windlasten standzuhalten und die Grenzen von Fertigungstoleranzen zu erfüllen. Das Tracking-System ist notwendig, weil der PTC-Kollektor eine Achse benötigt, um die Brennlinie mit der Richtung des Strahlenbündels auszurichten. Jede Achsverschiebung des PTC würde eine Reduktion des Wirkungsgrads zur Folge haben. Deshalb sollte das Tracking System so entwickelt sein, Windlasten standzuhalten und eine optimale Effizienz für Energiegewinne zu erzielen. Der Empfänger wird durch ein Rohr aus rostfreiem Stahl mit einer Solar-selektive Beschichtung und einem konzentrischen Glasrohr mit einem höheren Durchmesser

Abbildung 4

Tabelle 1

keiten aufgebaut worden, die von einer SHC – Anlage angeboten sind, beide Wärme- und Kälte Energie auszuliefern welches höhere Werte von den produzierten Energien zur Folge hat. Infolgedessen sind die Solarkollektoren zu einem hohen Richtpreis (500-600 € / m2) konzipiert worden. Dies sind höhere Kosten als für den industriellen Bereich (280 bis 350 € / m2) akzeptiert werden können. Die Auswahl der richtigen Beschichtung für das Absorberrohr war massgeblich für die Gestaltung der PTCs, weil dise eine wichtige Rolle in der Foto-thermische Konvertierung der Sonnenstrahlung spielt. Solar Absorber Oberflächen müssen hohe solar Absorptionsfähigkeit (α)  und  niedriges  thermische  Emissionsvermögen  (ε) aufweisen, um sehr gute Fotothermische Konvertierung bei den Betriebstemperaturen zu haben. Die Betriebstemperatur reflektiert über die Form der Kurve des Schwarzkörpers im Infrarotbereich der Sonnenstrahlung. Wenn die Temperatur steigt, bewegt sich der Höhepunkt in küzeren Wellenlägen und erhöht ihre Intensität. Wenn die Temperatur sinkt, bewegt sich der Höhepunkt in grösseren Wellenlägen und verringert ihre Intensität (Abbildung 4). Die ideale selektive Beschichtung sollte die folgenden Eigenschaften aufweisen: Ÿ Solare Absorption α> 0,95 Ÿ Thermische Emission bei hohen Temperaturen (400 ° C): ε