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

Feststoff-Wärmespeicher - physikalische Grundlagen

149 152 153 160

5.3

Latentwärmespeicher - Kenngrößen, Speichermedien, Wärmeübertragung

166

5.4 5.5

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

438

14.3 Kochen mit Sonnenenergie

442

14.4 Wasserpumpen mit solarthermischem Antrieb

444

TABELLENANHANG

447

LITERATURVERZEICHNIS

483

STICHWORTVERZEICHNIS

489