Übersicht über die Vorlesung Solarenergie 13 - KIT - LTI€¦ · Übersicht über die Vorlesung...

13.1Übersicht über die Vorlesung Solarenergie

1. Einleitung

2. Die Sonne als Energiequelle

3. Halbleiterphysikalische Grundlagen

4. Kristalline pn-Solarzellen

5. Elektrische Eigenschaften

6. Optimierung von Si-Solarzellen

7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen

8. Third Generation Photovoltaics

9. PV-Systemtechnik

10. Solarthermische Kraftwerke

11. Solarkollektoren

11.1 Grundlagen

11.2 Der Solarthermie-Markt

11.3 Kollektortypen

11.3.1 Schwimmbadheizung

11.3.2 Flachkollektor

11.3.3. Vakuumröhrenkollektor

11.4 Systemeinbindung

11.5 Kennwerte von Kollektoren

13.2Grundlagen I: Relevante Größen

13.3Grundlagen II: Wärmekapazität

Die solare Wärme muss vor der Nutzung meist gespeichert werden.

Wärmefluß in einen Körper führt zu einer Temperaturänderung ∆T eines

Körpers mit der Masse m und einer Wärmekapazität c:

∆= = ⋅ ⋅& dQ d T

Q c mdt dt

Wasser besitzt ein besonders großes Wärmespeichervermögen

( auf der Basis von 1,2 Propylenglykol)

13.4Grundlagen III: Wärmeleitung

• Wärmestrom in Watt: durch Wärmeleitung übertrageneWärmeleistung

th

AQ λ ∆T R ∆T

l

•

= ⋅ ⋅ = ⋅

Q•

Wärmewiderstand Rth

13.5Grundlagen IV: Wärmedurchgang

( )2 1

1

11 2

1 1−

=

= ⋅ −

= + +

α α λ ∑

&

n

i

i i

Q k A T T

sk

Wärmedurchgang(sleistung) durch n Schichten mit Querschnitt A und Wärme-übergangskoeffizienten α1 und α2 auf den Außenseiten der Schichten

Der Wärmedurchgang ergibt sich aus der Abfolge von Wärmeübergängen und

Wärmeleitung durch eine Schicht.

Wärmedurch-gangskoeffizient(k-Wert)

[ ] [ ]

[ ]

2

2

= α =

λ =

Wk

m K

W

m K

13.6Grundlagen IV: Wärmedurchgang

( )2 1

1

11 2

1 1−

=

= ⋅ −

= + +

α α λ ∑

&

n

i

i i

Q k A T T

sk

13.7Grundlagen V: Konvektion

Newton‘s Gesetz der Kühlung (Konvektion)

Konvektionsarten:(a) Erzwungene Konvektion(b) Freie Konvektion(c) Verdampfung(d) Kondensation

13.8Grundlagen VI: Konvektion

Typische Größenordnung von Wärmeübergangskoeffizienten

13.9Grundlagen VI: Strahlung

Spektrale spezifische Ausstrahlung eines schwarzen Körpers:

20

5

2 1( , )

exp 1λ

πλ = ⋅

λ −

λ

hcM T

hc

kT

Spektrale spezifische Ausstrahlung eines grauen Körpers:

20

5

2 1( , ) ( )

exp 1λ

πλ = ε λ ⋅

λ −

λ

hcM T

hc

kT

ε(λ): spektralabhängiger Emissionsgrad= α(λ): spektralabh. Absorptionsvermögen

13.10

und das Wien‘sche Verschiebungsgesetz

Daraus folgt das Stefan-Boltzmann-Gesetz für die Abstrahlung eines schwarzen Körpers:

0 4(T) A=A T⇒ = ⋅ σP M

4= Tσ

Grundlagen VI: Strahlung

Für einen grauen Körper mit einem wellenabhängigen ε(λ) werden diese Zusammenhänge (eigentlich) komplizierter.

13.11Grundlagen VI: Strahlung

• Wärmeabgabe durch elektromagnetische Wellen im Infrarotberereich

• mit steigender Temperatur wächst die Intensität der Wärmestrahlung (~T4)

• Abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit (Emissivität)

4Q A ε ∆(T )•

=

13.12Übersicht über die Vorlesung Solarenergie

1. Einleitung

2. Die Sonne als Energiequelle

3. Halbleiterphysikalische Grundlagen

4. Kristalline pn-Solarzellen

5. Elektrische Eigenschaften

6. Optimierung von Si-Solarzellen

7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen

8. Third Generation Photovoltaics

9. PV-Systemtechnik

10. Solarthermische Kraftwerke

11. Solarkollektoren

11.1 Grundlagen

11.2 Der Solarthermie-Markt

11.3 Kollektortypen

11.3.1 Schwimmbadheizung

11.3.2 Flachkollektor

11.3.3. Vakuumröhrenkollektor

11.4 Systemeinbindung

11.5 Kennwerte von Kollektoren

13.13Solarthermische Systeme

Thermische Nutzung der Solarenergie:

•Solarthermische KraftwerkeParabolrinnenkraftwerke, Turmkraftwerke, Dish-Stirling, Aufwindkraftwerke,…

•Solare Schwimmbaderwärmungdirekt oder über „schwarze“ Absorber

•Solare Brauchwassererwärmungüber nicht konzentrierende Flüssigkeitskollektoren

•Solare Niedertemperaturheizung für Räumeüber nicht konzentrierende Luftkollektoren

•Solare Prozesswärmeüber konzentrierende Kollektoren; oberflächlich absorbierende Rohrreceiver oder Gas-Partikel-Receiver mit transparenten Wänden und Volumenabsorption

13.14Entwicklung des deutschen Solarthermie - Markt

13.15Solarthermische Systeme: Der Markt in Deutschland

Quelle: www.solarwirtschaft.de

13.16

Kumulierte installierte solarthermische Leistung in den wichtigsten 10 Ländern und Zubau im Jahr 2004 (gesamt 15,5 Mio. m2) (Quelle: Jahrbuch EE 2007)

02.0004.0006.0008.00010.000 0 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000

Zubau 2004 [MW] Gesamte Kollektorleistung [MW] 2004

Brasilien: 23

Österreich: 134

Griechenland: 150

Australien: 377

Israel: 49

Deutschland: 525

Türkei: 840

Japan: 176

USA: 918

China: 9.450

Brasilien: 1.586

Österreich: 1.938

Griechenland: 2.096

Australien: 3.324

Israel: 3.353

Deutschland: 4.533

Türkei: 5.096

Japan: 5.408

USA: 19.879

China: 43.400

Nur Wasserkollektoren; Luftkollektoren stellen in Bezug auf die installierte Leistung im Vergleich mit den anderen Kollektortypen einen Randbereich dar und sind in den aufgeführten Ländern nur in den USA mit knapp 160 MW Leistung im Einsatz.

AbsorberFlachkollektoren

Vakkuumröhren

02.0004.0006.0008.00010.000 0 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000

Zubau 2004 [MW] Gesamte Kollektorleistung [MW] 2004

Brasilien: 23

Österreich: 134

Griechenland: 150

Australien: 377

Israel: 49

Deutschland: 525

Türkei: 840

Japan: 176

USA: 918

China: 9.450

Brasilien: 1.586

Österreich: 1.938

Griechenland: 2.096

Australien: 3.324

Israel: 3.353

Deutschland: 4.533

Türkei: 5.096

Japan: 5.408

USA: 19.879

China: 43.400

Nur Wasserkollektoren; Luftkollektoren stellen in Bezug auf die installierte Leistung im Vergleich mit den anderen Kollektortypen einen Randbereich dar und sind in den aufgeführten Ländern nur in den USA mit knapp 160 MW Leistung im Einsatz.

02.0004.0006.0008.00010.000 0 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000

Zubau 2004 [MW] Gesamte Kollektorleistung [MW] 2004

Brasilien: 23

Österreich: 134

Griechenland: 150

Australien: 377

Israel: 49

Deutschland: 525

Türkei: 840

Japan: 176

USA: 918

China: 9.450

Brasilien: 1.586

Österreich: 1.938

Griechenland: 2.096

Australien: 3.324

Israel: 3.353

Deutschland: 4.533

Türkei: 5.096

Japan: 5.408

USA: 19.879

China: 43.400

Nur Wasserkollektoren; Luftkollektoren stellen in Bezug auf die installierte Leistung im Vergleich mit den anderen Kollektortypen einen Randbereich dar und sind in den aufgeführten Ländern nur in den USA mit knapp 160 MW Leistung im Einsatz.

AbsorberFlachkollektoren

Vakkuumröhren

AbsorberFlachkollektoren

Vakkuumröhren

AbsorberFlachkollektoren

Vakkuumröhren

13.17Übersicht über die Vorlesung Solarenergie

1. Einleitung

2. Die Sonne als Energiequelle

3. Halbleiterphysikalische Grundlagen

4. Kristalline pn-Solarzellen

5. Elektrische Eigenschaften

6. Optimierung von Si-Solarzellen

7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen

8. Third Generation Photovoltaics

9. PV-Systemtechnik

10. Solarthermische Kraftwerke

11. Solarkollektoren

11.1 Grundlagen

11.2 Der Solarthermie-Markt

11.3 Kollektortypen

11.3.1 Schwimmbadheizung

11.3.2 Flachkollektor

11.3.3. Vakuumröhrenkollektor

11.4 Systemeinbindung

11.5 Kennwerte von Kollektoren

13.18Anwendungen: Solare Schwimmbadbeheizung

In der Regel ist nur eine Temperaturerhöhung von wenigen Grad erforderlich!

Geschwärzte wasserdurchflossene Rohre aus Polyethylen (PE), Polypropylen(PP) oder stabileren Ethylen-Propylen-Dien-Monomeren (EPDM) werden auf einer großen Fläche ausgelegt; Absorberfläche ca. 50 – 80% der Beckenoberfläche.

Bei Stützwassertemperatur von 23 °C: Wärmebedarf im Freien von 150 – 450 kWh/m2. Auf eine Zusatzheizung kann in der Regel verzichtet werden. Bei 2000 m2

lassen sich bis zu 75000 l Heizöl/Saison einsparen.

Zweipunktreglung:

Oberhalb einer gew. Temperaturdifferenz zwischen Becken- und Absorbertemperatur wird die Pumpe eingeschaltet.

13.19Anwendungen: Solare Schwimmbadbeheizung

13.20Übersicht über die Vorlesung Solarenergie

1. Einleitung

2. Die Sonne als Energiequelle

3. Halbleiterphysikalische Grundlagen

4. Kristalline pn-Solarzellen

5. Elektrische Eigenschaften

6. Optimierung von Si-Solarzellen

7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen

8. Third Generation Photovoltaics

9. PV-Systemtechnik

10. Solarthermische Kraftwerke

11. Solarkollektoren

11.1 Grundlagen

11.2 Der Solarthermie-Markt

11.3 Kollektortypen

11.3.1 Schwimmbadheizung

11.3.2 Flachkollektor

11.3.3. Vakuumröhrenkollektor

11.4 Systemeinbindung

11.5 Kennwerte von Kollektoren

13.21Solare Brauchwassererwärmung

Für Brauchwasser wird ein höheres Temperaturniveau benötigt.

Bloße, primitive Absorber, z.B. Solardusche (schwarzer Sack mit Wasserinhalt oberhalb der Zapfstelle), hätten zu hohe Konvektionsverluste, Verluste durch Wind, Regen und Schnee und vor allem Strahlungsverluste bei höherer Kollek-tortemperatur.

Alternative:FlachkollektorenVakuum-FlachkollektorenVakuum-RöhrenkollektorenSpeicherkollektoren

Weitere Komponenten:Speicher – Kollektorvolumen zum Speichern meist zu klein!Pumpe – Ausnahme: SchwerkraftanlageRegelung für konstantes Temperaturniveau

13.22Kollektorbauarten

13.23Flachkollektoren

Absorber befindet sich in einem geschlossenen Gehäuse, um die Verluste durch Konvektion und Wär-mestrahlung zu begrenzen.

Gehäuse aus Kunststoff oder Blech, rückseitig mit Polyurethan-Hartschaum-platten oder Mineralfaser-platten wärmegedämmt.

Meist verwendeter Kollektortyp zur Brauchwassererwärmung

13.24Schnitt durch einen Flachkollektor

Quelle: ITW, Uni-Stuttgart

13.25Energieströme des abgedeckten Kollektors

13.26Energiebilanz des Flachkollektors

Frontscheibe soll die Solarstrahlung durchlassen, die Wärmestrahlung des Absorbers, wie im Treibhaus, zurückhalten. Dies wird erreicht mit eisenarmem Solarglas – hohe Transmission im VIS, starke Absorption im IR.

Besser: In2O3 oder ZnO2

beschichtete Gläser mit guter Transmission im VIS, aber hoher Reflexion im IR.

Ca. 60% der einfallenden Strahlungsleistung ist thermisch nutzbar.

13.27Frontscheiben für Flachkollektoren

(haben sich bei Kollektoren (noch) nicht durchgesetzt)

13.28Beispiele für Flachkollektoren

Quelle: ITW, Uni-Stuttgart

13.29Bauformen von Solarabsorbern

Ziel: Große Absorberfläche, kleines Absorbervolumen.

Wegen Leerlauftemperaturen von etwa 200 °C sind die Absorber fast ausschließ-lich aus Kupfer, Stahl oder Aluminium (korrosionsanfällig) gefertigt.

Fahnenabsorber

13.30Übersicht über die Vorlesung Solarenergie

1. Einleitung

2. Die Sonne als Energiequelle

3. Halbleiterphysikalische Grundlagen

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5. Elektrische Eigenschaften

6. Optimierung von Si-Solarzellen

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10. Solarthermische Kraftwerke

11. Solarkollektoren

11.1 Grundlagen

11.2 Der Solarthermie-Markt

11.3 Kollektortypen

11.3.1 Schwimmbadheizung

11.3.2 Flachkollektor

11.3.3. Vakuumröhrenkollektor

11.4 Systemeinbindung

11.5 Kennwerte von Kollektoren

13.31Vakuumröhrenkollektor

In einer Glasröhre lässt sich ein Hochvakuum besser herstellen und über eine längere Zeit halten als in einem Vakuum-Flachkollektor.

Gegen eindringenden Wasserstoff werden Gettereingesetzt..

Heat-Pipe in Schräglage und meist mit Methanol gefüllt transportiert Wärme zum Wärme-tauscher. Auch gibt es Kollektoren mit durch-laufendem Wärmeträ-gerrohr ohne Schrägla-ge und Wärmetauscher.

13.32Schnitt Vakuum-Röhren-Kollektor

Wärmeleitblech

äußereGlasröhre

Kollektorkreislauf

selektive Beschichtungauf innerer Glasröhre

Reflektor

Vakuum imRingspalt zwischenäußerer und innererGlasröhre

Quelle: ITW, Uni-Stuttgart

13.33Selektive Absorberbeschichtung

Quelle: www.tinox.com

13.34Übersicht über die Vorlesung Solarenergie

1. Einleitung

2. Die Sonne als Energiequelle

3. Halbleiterphysikalische Grundlagen

4. Kristalline pn-Solarzellen

5. Elektrische Eigenschaften

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7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen

8. Third Generation Photovoltaics

9. PV-Systemtechnik

10. Solarthermische Kraftwerke

11. Solarkollektoren

11.1 Grundlagen

11.2 Der Solarthermie-Markt

11.3 Kollektortypen

11.3.1 Schwimmbadheizung

11.3.2 Flachkollektor

11.3.3. Vakuumröhrenkollektor

11.4 Systemeinbindung

11.5 Kennwerte von Kollektoren

13.35Thermosiphonanlagen

Kollektor ist stets tiefer, gelagert, min-destens 0,6 m, als der Wärmespeicher, damit aufgrund der Schwer-kraft warmes Wasser in den Wärmespeicher aufsteigen und kaltes Wasser in den Kollektor abfallen kann. Es darf, insbesondere nachts, kein Rückwärtslauf einsetzen!

Nachteile:System reagiert bei mehr als 10 m2 Kollektorfläche zu träge.Schwerer Speicher ist hoch zu montieren.Hohe Temperaturen im Speicher und Kollektorkreislauf mindern Wirkungsgrad.

Vorteil: Keine Pumpe erforderlich und kein Stromverbrauch dadurch.

13.36Anlagen mit Zwangsumlauf

Zweikreissystem mit Zwangs-umlauf:Zur Vermeidung des Einfrierens von Wasser bei Frost fließt im Solarkreislauf mit Frostschutz (Glykol) versehenes Wasser, im getrennten Brauchwasser-kreislauf reines Wasser.

Pumpe schaltet ein, wenn die gemessene Temperatur im Kollektor 5 – 10 °C höher als die Speichertemperatur ist; sie schaltet ab unterhalb einer gewissen Tempera-turdifferenz. Schwellwerte sollten nicht zu nahe liegen, damit bei niedrigen Bestrah-lungen nicht ständig ein- und ausgeschaltet wird. Kollektorserienschaltung erhöht das Temperaturniveau und erniedrigt den Gesamtmassenstrom (Low-Flow).

13.37Speicherkollektoren

Schwerer Edelstahltank als Absorber und Speicher im Kollektor;160 l Volumen auf ca. 2 m2. Gesonderter Wärmespeicher entfällt.

Selektive Beschichtung absor-biert im UV, VIS und NIR, emittiert aber kaum im MIR und FIR.

Reflektoren konzentrieren die Solarstrahlung auf den Speicher.

Zur weiteren Reduktion der Wärmeverluste:

•Wärmedämmung auf der Rückseite

•Transparente Wärmedämmung (TWD) auf der Einstrahlungsseite: Aerogranulat(20 mm) oder Polycarbonat in Waben- oder Kapillarstruktur besitzen wesentliche kleine Wärmedurchgangskoeffizienten k = 0,7 – 0,85 W/(m2K) als Fensterver-glasungen mit k = 1,0 – 5,9 W/(m2K), aber etwas schlechtere optische Transmission.

13.38Übersicht über die Vorlesung Solarenergie

1. Einleitung

2. Die Sonne als Energiequelle

3. Halbleiterphysikalische Grundlagen

4. Kristalline pn-Solarzellen

5. Elektrische Eigenschaften

6. Optimierung von Si-Solarzellen

7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen

8. Third Generation Photovoltaics

9. PV-Systemtechnik

10. Solarthermische Kraftwerke

11. Solarkollektoren

11.1 Grundlagen

11.2 Der Solarthermie-Markt

11.3 Kollektortypen

11.3.1 Schwimmbadheizung

11.3.2 Flachkollektor

11.3.3. Vakuumröhrenkollektor

11.4 Systemeinbindung

11.5 Kennwerte von Kollektoren

13.39Kollektorleistung und Kollektorwirkungsgrad

KN K V o K V

2V 0 K K U 1 K K U

KN VK o

K K

Q (1 ) A E Q A E Q

Q k A (T T ) k A (T T ) ...

Q Q

A E A E

= τ ⋅ − ρ ⋅ ⋅ − = η ⋅ ⋅ −

= ⋅ ⋅ − + ⋅ ⋅ − +

η = = η −⋅ ⋅

& & &

&

& &

Kollektornutzleistung

Verlustleistung durch Konvektion + Strlg.

Kollektorwirkungsgrad

Thermische Verluste wachsen mit steigender Temperaturdifferenz vom Kollektor zur Umgebung.

Kollektorstillstandstemperatur um so niedriger je kleiner die Bestrahlungsstärke ist; z.B.E = 400 W/m2: δK0 = 75 °C

K K U(T T ) 0η − =

13.40Prinzipeller Verlauf von Wirkungsgradkennlinien

13.41Kennwerte unterschiedlicher Flüssigkeitskollektoren

13.42Solarer Deckungsgrad

Außer den Konvektions- und Strahlungsverlusten des Kollektors entstehen weitere Verluste:

QLA + QZ in den Rohrleitungen beim Aufheizen der Rohre und Zirkulation des Wärmeträgermediums durch Wärmeübergang nach außen

QSp im Speicher durch Wärmeübergang durch die partiell isolierende Dämmschicht;Verluste um so größer je weiter die Speichertemperatur über der Außentemperatur liegt. Bei offenen Speicherbecken (Schwimmbad) kommen hinzu die Konvektions- und Strahlungsverluste und die dominanten Verdunstungsverluste.

Wird eine Nutzwärme QN gebraucht und eine Kollektornutzenergie QKN bereit-gestellt, so wird eine Zusatzenergie

zu N LA Z Sp KNQ Q Q Q Q Q= + + + −

benötigt. Der Anteil der an den Speicher abgegeben Energie zum Gesamtener-giebedarf heißt solarer Deckungsgrad

zuKN LA Z

N Sp N Sp

QQ Q QSD 1 0,5 0,6!

Q Q Q Q

− −= = − = −

+ +

13.43

Que

lle:

Öko

inst

itut,

Mar

ktüb

ersi

cht

The

rmis

che

Sol

aran

lag

en 9

4/9

5

100 %

0 %

75 %

50 %

25 %

Monat Jan AprFeb Mär Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

Warmwasserbedarf

Solarertrag einer 25 m²- Anlage

Solarertrag einer 6 m²- Anlage

Raumwärmebedarf eines konventionellen Neubaus(WSVO´95)

Raumwärmebedarf eines Niedrigenergie-Gebäudes(“5-Liter-Haus”)

Heizenergiebedarf und Solarenergieangebot

13.44Energiefluss einer solarthermischen Anlage

6 m2 Flachkollektor mit Zwangsumlauf für Brauchwassererwärmung eines Haushalts;SD > 0,9 im Sommer, SD < 0,15 im Winter, Verlustangaben im Jahresmittel

Speicher bereits auf Maximaltemperatur oder Kollektortemperatur noch nicht ausreichend zum Beladen des Speichers

Energieertrag:

940 – 1130 MJ//m2a)

13.45Technische Daten solarthermischer Flachkollektoranlagen

zur Brauchwasser- und Raumerwärmung Einfamilien-, Mehrfamilienhäuser Nahwärmenetz

Speichereingang

Speicherausgang