Akademische Abhandlungen zu den Ingenieurwissenschaften
Thermische Solaranlagen Nikolai Khartchenko
Berlin
VII
Inhaltsverzeichnis
SYMBOLVERZEICHNIS
XV
KAPITEL 1
1
1
SONNENSTRAHLUNG
3
1.1
Extraterrestrische Strahlung
3
1.2
Sonnenenergieangebot auf der Erdoberfläche
5
1.3
Lage eines Ortes auf der Erde bezüglich der Sonnenstrahlung.....
8
1.4 Einfallswinkel der Direktstrahlung auf eine Kollektorfläche 1.4.1 Einfallswinkel der Direktstrahlung auf horizontale bzw. vertikale Flächen 1.4.2 Einfallswinkel der Direktstrahlung auf geneigte Flächen 1.4.3 Einfallswinkel der Direktstrahlung auf nachgefühlte Flächen
11 11 13 13
1.5 Gesamtstrahlung auf geneigte Kollektorflächen 1.5.1 Stündliche Einstrahlung auf geneigte Flächen südlicher Ausrichtung 1.5.2 Stundenwinkel des Sonnenuntergangs und Tageslänge 1.5.3 Tägliche Gesamtstrahlung auf eine geneigte Fläche
14 15 15 14
1.6
Stündliche Global- und Dimisstrahlung auf Basis von Tageswerten
18
Tabellen
23
KAPITEL 2
29
2
WÄRME- UND STRÖMUNGSTECHNISCHE GRUNDLAGEN DER SOLARTECHNIK
31
2.1 Thermodynamik in Anwendung an thermische Solaranlagen 2.1.1 Erster Hauptsatz der Thermodynamik 2.1.2 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik und exergetische Effizienz 2.1.3 Thermodynamik der Energieumwandlung in Kraftwerken 2.1.4 Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk (GuD-Kraftwerk) 2.1.5 Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) 2.1.6 Stirling-Kreisprozess
31 31 33 34 40 41 42
2.2 Wärmeübertragung in Anwendung an thermische Solaranlagen 2.2.1 Wärmeleitung 2.2.2 Differenzenverfahren zur numerischen Lösung der Wärmeleitungsgleichung
43 43 46
VIII
Inhaltsverzeichnis
2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.7 2.2.8
Wärmeübertragung durch Konvektion Wärmedurchgang Wärmetauscher Wärmestrahlung Strahlungsaustausch zwischen grauen Körpern Wärmeübertragung durch Konvektion und Strahlung
2.3 Strömungstechnische Grundlagen 2.3.1 Bernoulli-Gleichung und Kontinuitätsgleichung 2.3.2 Druckverlust durch Reibung und Einzelwiderstände 2.3.3 Antriebsleistung für eine Umwälzpumpe
47 50 52 55 57 58 60 60 61 62
KAPITEL 3
65
3
NIEDERTEMPERATUR-SOLARKOLLEKTOREN
67
3.1
Arten von Solarkollektoren
67
3.2
Flachkollektoren
70
3.3
Vakuumröhren-Kollektoren
73
3.4 Optische Eigenschaften von Solarkollektoren 3.4.1 Reflexions-, Transmissions- und Absorptionsgrad der Kollektorabdeckung 3.4.2 3.5
Absorbierte Sonnenstrahlung und optischer Wirkungsgrad eines Solarkollektors
76 76 81
Selektive Absorptionsbeschichtungen für Solarkollektoren
85
3.6 Thermische Prozesse in Niedertemperatur-Kollektoren 3.6.1 Absorbierte Strahlung und Wärmeverluste des Kollektors 3.6.2 Gesamtwärmedurchgangskoeffizient des Kollektors 3.6.3 Austrittstemperatur des Kollektor-Wärmeträgers 3.7 Leistungsfähigkeit von Solarkollektoren 3.7.1 Nutzwärmeleistungeines Flachkollektors 3.7.2 Wirkungsgrad und Kennlinie eines Kollektors 3.7.3 Kollektorauswahl für Niedertemperaturanwendungen 3.7.5 Energieertrag eines Kollektorfeldes
89 89 95 100 102 102 105 107 111
3.8
Langzeit-Leistungsfähigkeit von Solarkollektoren
113
3.9
Prüfung von Solarkollektoren
118
Tabellen
123
KAPITEL 4
125
4
127
KONZENTRIERENDE SOLARKOLLEKTOREN
Inhaltsverzeichnis
4.1
IX
Konzentrationsverhältnis, Absorbertemperatur und optischer Wirkungsgrad eines Kollektors
127
4.2
Nutzwärmeleistung und Wirkungsgrad eines konzentrierenden Kollektors
131
4.3
Auslegung eines Parabolrinnen-Konzentrators
134
4.4
Parabol-Trogkonzentrator (CPC)
136
4.5
Langzeit-Leistungsfähigkeit von konzentrierenden Kollektoren
142
Tabellen
145
KAPITEL 5
147
5
ENERGIESPEICHER
149
5.1
Arten von Energiespeichern und ihre Bewertungsgrößen
5.2 Wärmespeicher für Niedertemperatur-Solaranlagen 5.2.1 Wasserwärmespeicher- Physikalische Grundlagen 5.2.2
Mittel- und Hochtemperatur-Wärmespeicher Thermochemische Energiespeicher
174 176
Tabellen
179
KAPITEL 6
185
6
WIRTSCHAFTLICHKEITSANALYSE VON SOLARANLAGEN
187
6.1
Jahreskosten für eine Solaranlage
187
6.2
Wirtschaftliche Bewertungskriterien für Solaranlagen
188
6.3
Optimierung von Kollektor- und Speichergröße
190
KAPITEL 7 7
SOLARANLAGEN ZUR TRINKWASSER- UND SCHWIMMBADERWÄRMUNG
193 195
7.1
Schwerkraft-Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung
195
7.2
Warmwasserbereitungsanlagen mit integrierten Speicher-Kollektoren
200
X
Inhaltsverzeichnis
7.3
Zwangsumlauf-Solaranlagen zur Warmwasserbereitung
202
7.4
Energieertrag einer Solaranlage zur Wassererwärmung und Zusatzenergiebedarf
207
7.5
Langzeit-Leistungsfähigkeit der Einkreis- Warmwasserbereitungs-Solaranlage
210
7.6 Nutzung der Sonnenenergie zur Schwimmbaderwärmung 7.6.1 Solare Erwärmung von Freibädern 7.6.2 7.7
Energiebilanz, Wärmeverluste und Heizwärmebedarf für Schwimmbäder
Auslegung von Solarkollektoren zur Schwimmbaderwärmung
Tabellen
213 213 216 223 229
KAPITEL 8
231
8
233
SOLARE HEIZUNGSSYSTEME
8.1 Energieverbrauch in Solar-, Niedrigenergie- und Passivhäusern 8.1.1 Primärenergie- und Heizwärmebedarf des Gebäudes 8.1.2 Energieeinsparungsverordnung und Energiekennwerte der Gebäude 8.1.3 Solarhaus, Niedrigenergiehaus und Passivhaus
233 233 234 236
8.2
239
Aktive Solarsysteme zur Unterstützung der Raumheizung
8.3 Passive Solarenergiesysteme 8.3.1 Voraussetzungen zur passiven Sonnenenergienutzung 8.3.2 Arten von passiven Solarheizungssystemen 8.3.3 Energiegewinn eines passiven Solarheizungssystems
242 242 243 245
8.4
Solare Kombianlagen zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung
250
8.5
Heizungsanlagen auf Basis von Solarkollektoren und Wärmepumpen
252
Tabellen
256
KAPITEL 9
259
9
SOLARE NAHWÄRMEVERSORGUNGSSYSTEME
261
9.1
Konzepte und Aufbau solar unterstützter Nahwärmesysteme
261
9.2
Komponenten solar unterstützter Nahwärmesysteme
264
9.2.1 Solarkollektoren für solar unterstützte Nahwärmesysteme 9.2.2 Wärmespeicher für solar unterstützte Nahwärmesysteme
264 266
9.2.3
Solar- und Wärmeverteilnetze, Heizzentrale und Wärmeübergabestationen
268
9.3
Solare Nahwärmesysteme der 1980-90er
270
9.4
Solar unterstützte Nahwärmesysteme der neuen Generation
273
Inhaltsverzeichnis
9.5
9.6
XI
Leistungsfähigkeit solar unterstützter Nahwärmesysteme mit Langzeit-Wärmespeichern
273
Berechnung der Wärmeverluste der Langzeit-Wärmespeicher
277
9.7 Auslegung der SUNS-Systeme mit Langzeit-Wärmespeichern 9.7.1 Grundsätze der Planung und Auslegung von SUNS-Systemen 9.7.2 Jahresenergieertrag des Kollektorfeldes eines SUNS-Systems 9.7.3 Auslegung der Kollektorfläche eines SUNS-Systems mit Langzeit-Wärmespeicher 9.7.4 Auslegung von Langzeit-Wärmespeichern für solar unterstützte Nahwärmesysteme 9.8 Wirtschaftlichkeit von solar unterstützten Nahwärmesystemen mit LangzeitWärmespeichern
281 281 282 283 284
Tabellen
288
286
KAPITEL 10
291
10 SOLARE KÄLTEERZEUGUNG UND KÜHLUNG
293
10.1 Arten von solaren Kälte- und Klimaanlagen
293
10.2 Solare Kompressions-Kälteanlagen
294
10.3 Solare Absorptions-Kälteanlagen 10.3.1 Absorptionskältemaschine: Arbeitsprinzip, Aufbau und Arbeitsstoffpaare 10.3.2 Thermodynamische Analyse einer Absorptionskältemaschine 10.3.3 Zweistufige Absorptionskältemaschinen 10.3.4 Solare Absorptions-Klimaanlagen mit offenem Kreislauf 10.3.5 Periodisch betriebene solare Absorptionskälteanlagen 10.3.6 Vergleich von solaren Kompressions- und Absorptionskälteanlagen
298 298 301 303 304 306 306
10.4 Auslegung der solaren Absorptions-Kälteanlagen
307
10.5 Solare Adsorptionsklimaanlagen
315
10.6 Passive solare Kühlung von Gebäuden
316
10.7 Kühllast des Gebäudes für solare Klimaanlagen
317
Tabellen
321
KAPITEL 11
323
11 AUSLEGUNG VON SOLARANLAGEN ZUR BRAUCHWASSERERWÄRMUNG UND HEIZUNGSUNTERSTÜTZUNG
325
11.1 f-Chart-Verfahren für Niedertemperatur-Solaranlagen
325
11.2 Vorgehensweise bei der Auslegung der Solaranlagen nach dem f-Chart-Verfahren
332
XII
Inhaltsverzeichnis
11.3 Rechnerunterstützte Auslegung und Optimierung der Solaranlagen
336
11.4 Berechnung von Solaranlagen zur Prozesswärmeversorgung
339
11.5 Auslegung der Wärmespeicher für Solaranlagen
344
11.6 Auslegung der Wärmetauscher für Solaranlagen
352
11.7 Strömungstechnische Berechnungen von Solaranlagen 11.7.1 Druckverlust durch Rohrreibung und Einzelwiderstände in Solaranlagen
358 358
11.7.2 Auslegung der Umwälzpumpe für den Kollektorkreislauf einer Solaranlage
360
11.8 Auslegung eines Ausdehnungsgefäßes
361
11.9 Zusatzheizung, Regel- und Steuerungseinrichtungen
364
Tabellen
366
KAPITEL 12
369
12 BERECHNUNG UND AUSLEGUNG VON PASSIVEN SOLARHEIZSYSTEMEN
371
12.1 Empirische Berechnungsverfahren für passive Solarsysteme 12.1.1 SLR-Verfahren
371 371
12.2 Berechnung des monatlichen Zusatzenergiebedarfs eines Gebäudes mit passivem Solarheizsystem
376
12.3 Überschlägige Auslegung von passiven Solarheizsystemen
385
Tabellen
387
KAPITEL 13
391
13 SOLARTHERMISCHE KRAFTWERKE
393
13.1 Arten der Solarkraftwerke
393
13.2 Kennwerte der solarthermischen Kraftwerke
395
13.3 Solarfarm-Kraftwerke 13.3.1 Aufbau und Komponenten eines Solarfarm-Kraftwerks 13.3.2 Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrad eines Solarfarm-Kraftwerks 13.3.3 Innovative Konzepte der Solarfarm-Kraftwerke
398 398 400 401
13.4 Zentralreceiver- bzw. Solarturm-Kraftwerke 13.4.1 Allgemeine technische Daten der Solarturm-Kraftwerke 13.4.2 Komponenten eines Solarturm-Kraftwerks 13.4.3 Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrad eines Solarturm-Kraftwerks
403 403 406 407
Inhaltsverzeichnis
XIII
13.5 Dish/Stirlingmotor-Solarkraftanlagen
409
13.6 Wärmespeicher für solarthermische Kraftwerke
410
13.7 Solar-GuD-Hybrid-Kraftwerkskonzepte
412
13.8 Aufwind-, Ozeanwärme- und Solarteich-Kraftanlagen
415
13.9 Direkt-Umwandlung der Sonnenstrahlung in elektrische Energie 13.9.1 Photovoltaische Stromerzeugung 13.9.2 Thermoelektrische Stromerzeugung
418 418 423
Tabellen
424
KAPITEL 14
429
14 THERMISCHE SOLARANLAGEN FÜR SÜDLICHE REGIONEN
431
14.1 Solare Trocknungsanlagen
431
14.2 Meer- und Brackwasserentsalzung mit Sonnenenergie