In diesem Video beschäftigen wir uns mit
den Bauarten von thermischen
Solarkollektoren.
Die erste Bauart
sind die Flachkollektoren.
Man sieht hier ein Foto,
der Name der Bauart
erklärt sich wohl von selbst,
es sind rechteckige Solarkollektoren.
Hier ist ein Schnitt
durch den Solarkollektor.
Es gibt in der Regel eine Glasscheibe zur Abdeckung.
Es gibt ein Absorberblech,
wo die Solarstrahlung
dann anschließend
absorbiert wird und in Wärme umgewandelt wird.
In diesem Zwischenraum
zwischen Glasscheibe und Absorberblech ist Luft.
Und die Wärme, die hier am
Absorberblech produziert wird,
wird
mit Hilfe dieser Rohre abgeführt.
Das sind in der Regel Kupferrohre
und durch sie fließt ein Wärmeträger.
Wenn es also hier
am Absorberblech heiß wird,
soll nicht zu viel Wärme verloren gehen,
daher ist diese Wärmedämmung
hier auf der Rückseite verbaut
und das Ganze wird eingefasst durch einen Rahmen
und auch die Glasscheibe
dient der Wärmedämmung.
Das ist die typische Bauform mit einer Glasscheibe.
Es gibt weitere Bauformen,
z. B. mit Doppelglasscheibe.
Die bietet den Vorteil, dass sie besser die Wärme dämmt.
Aber sie hat den Nachteil, daß dann dann natürlich
auch nicht ganz so viel Solarstrahlung in
den Kollektor eintritt.
Eine andere Bauform nutzt eine Folie dafür.
Das sind aber beides sehr unübliche Bauformen.
Statt der Luft im Zwischenraum
gibt es auch eine Bauform,
wo im Zwischenraum
Vakuum herrscht.
Das würde dann natürlich
bei so einer flächigen
Glasplatte dazu führen,
dass die Glasplatte implodiert.
Und deshalb braucht dann ein solcher Kollektor
kleine Stützstäbe zur mechanischen Stabilisierung
der Glasplatte.
Das ist auch eine seltene Bauform.
Eine Variante der Bauform Flachkollektor ist die "Harfe."
Man sieht hier diese Rohre und
das sieht man auch im unteren Bild am Kollektor
Die Rohre sind im Kollektor so geführt, dass man hier oben
eine Wasserverteilung hat und hier unten
einen Wassersammler oder umgekehrt,
und das Wasser fließt
von oben nach unten durch ein Rohr
und geht dann in den nächsten Kollektor
oder wird vielleicht in dem Kollektor
hier unten gesammelt,
fließt nach oben und so durch.
Jedenfalls spricht man
bei dieser Form der Wasserführung von einer Harfe.
Die Alternative ist,
dass vom Eintritt des Mediums,
das die Wärme abführt,
dieses Rohr hier im
Absorberblech mäanderförmig geführt wird.
Also hier in solchen Schlangenlinien.
Dann hat man eine höhere Verweildauer des Mediums im Kollektor,
aber auch einen höheren
Druckverlust.
Also das ist eine mäanderförmige
Rohrführung im Absorberblech.
Ein Vorteil des Kollektortyps Flachkollektor ist,
dass er stabil ist. Hagel z.B. kann ihm nichts anhaben.
Es gibt keine Dichtigkeitsprobleme,
denn im Zwischenraum
ist ja Luft.
Das ist ein vergleichsweise preiswerter Kollektor
mit einem guten Preis-/Leistungsverhältnis
und deshalb auch
recht weit verbreitet in Deutschland.
Die zweite Bauform unterscheidet sich
deutlich von diesem Flachkollektor:
der Röhrenkollektor.
Das wichtigste
Unterscheidungsmerkmal ist,
dass der Kollektor evakuiert ist.
Sie sehen hier oben eine mögliche
Bauform für einen solchen Röhrenkollektor,
für eine Röhre.
Ein Röhrenkollektor besteht dann aus mehreren Röhren,
die nebeneinander liegen,
man sieht das hier auch schon.
Eine Bauform sieht so aus, dass sie hier
zwei Glasröhren haben, die ineinander
gesteckt sind, wie bei einer Thermoskanne
und im Zwischenspalt
ist das Vakuum.
Also eine doppelwandige Glasröhre
mit Vakuum im Spalt und jetzt
kann man sich fragen:
wo befindet sich denn hier der Absorber?
Die Absorberschicht ist dann auf dem
Außenrand der inneren Glasröhre angebracht,
hier blau schimmernd
eingetragen in dieser Grafik.
Also die innere Glasröhre, die wird dann heiß
und die Wärme wird dann abgeführt
über ein solches Wärmeleitblech,
was einfach innen in die Glasröhre reingesteckt ist.
Ja, und um dann die Wärme an diesem Blech abzuführen,
gibt es dann wieder ein Rohr,
was damit verbunden ist,
durch das Wärmeträgermedium fließt,
in der Regel in so einem U-Rohr, also
nach unten in die Röhre rein und dann wieder zurück.
Diese Bauform
nennt man Sydney-Röhre
oder Dewar-Röhre.
Eine Variante davon,
eine alternative Bauform für einen
Vakuum-Röhren-Kollektor ist,
dass man nur eine Glasröhre hat.
In dieser Glasröhre ist das Vakuum
und dann steckt man in diese Glasröhre
- man sieht das hier unten -
ein rechteckiges Absorberblech
hinein, eine
rechteckige Absorberfinne,
könnte man sagen.
Und um jetzt
die Wärme von
dieser Finne,
die ja die Solarstrahlung absorbiert und heiß wird,
abzuführen,
dazu gibt es dann zwei Möglichkeiten.
Entweder man hat an dieser Finne
wieder ein Rohr,
das von einem Wärmeträger durchflossen wird,
und häufig dann als Koaxialrohr ausgeführt ist,
d.h. im inneren Rohr strömt das
Medium rein
und im äußeren Ringspalt wieder zurück.
Oder es ist wie hier dargestellt,
das Heat-Pipe-Prinzip.
Das hat die Besonderheit,
dass es dann hier kein koaxiales Rohr gibt,
sondern nur ein Rohr und dass dieses Rohr
mit Kältemittel gefüllt ist.
Das Kältemittel sorgt dann für den Wärmetransport.
Das Kältemittel
hier in diesem Rohr verdampft,
wenn das Absorberblech
heiß wird.
Der Dampf strömt von selbst nach oben.
Man braucht also eine bestimmte Neigung
bei diesem Röhrenkollektor,
damit der Dampf auch wirklich von selbst nach oben strömt.
Der Dampf gibt dann hier oben
in diesem Sammlerrohr, wo der Wärmeträger
durchströmt, die Wärme ab und
kondensiert wieder.
Und wenn es flüssig ist, dann läuft es
einfach von selbst wieder zurück ins Rohr rein
und verdampft wieder.
Also so ein Kältemittel-Kreislauf in diesem Röhrchen,
um den Wärmetransport (zum Wärmeträger) zu gewährleisten,
das ist hier mit Bezug auf dieses Bild.
Der Vorteil im Vergleich zum
Flachkollektor ist der
höhere Wirkungsgrad.
Das Vakuum hemmt natürlich diesen
Wärmetransport (d.h. Wärmeverlust) vom heißen Absorberblech
hin zur Umgebung sehr gut.
Geringere Verluste bedeuten höheren Wirkungsgrad,
und höhere Temperaturen,
beziehungsweise einen geringeren
Flächenbedarf für den gleichen
Solarertrag.
Eine Besonderheit dieser Bauform ist auch,
dass man einzelne Röhren
die vielleicht zu Bruch gegangen sind,
einzeln austauschen kann
ohne die Anlage entleeren zu müssen.
Man kann sich das hier gut vorstellen.
Z.B. ein solches Absorberrohr
kann man leicht hier rausziehen,
weil hier dieser Übergang
so gestaltet ist, dass es da eine Hülse gibt,
wo dieser Kopf der Heat-Pipe
einfach reingesteckt ist,
mit einer bestimmten Passung gut wärmeleitend,
aber man kann das
dann dort herausziehen.
Die nächsten beiden Bauarten
auf dieser Folie hier sind die
Solarabsorber.
Sie werden häufig eingesetzt
zur Schwimmbaderwärmung,
denn es handelt sich hierbei häufig nur
um schwarze Matten mit Kunststoffrohren,
die so arbeiten, wie wenn Sie einen
Gartenschlauch auf die Wiese legen
und die Sonne darauf scheint.
Also der Vorteil ist natürlich,
dass die sehr preiswert sind.
Nachteilig sind die sehr
geringen Wirkungsgrade.
Es gibt keine Wärmedämmung darunter,
es gibt keine Abdeckung darüber,
also nichts, was den Wärmeabfluss
von diesem warm werdenden Absorber hemmt
und deshalb werden Solarabsorber nur eingesetzt
für die Bereitstellung niedrigtemperierter Wärme.
z.B. typischerweise für die Erwärmung eines
Schwimmbades oder Swimmingpools.
Der Vorteil von Solarabsorbern ist natürlich
gerade bei der Schwimmbadbeheizung,
dass eine zeitlich sehr gute Korrelation besteht
zwischen Energiebedarf im Sommer und
der hohen solaren Einstrahlung dann.
Die vierte Bauart sind die Luftkollektoren.
Das ist im Prinzip
ein Flachkollektor,
den dann aber keine Flüssigkeit durchströmt,
sondern der Luft erwärmt und
wo man hier also
Rechteckkanäle oder
andere Kanalformen baut, sodass die Luft hier
über dem Absorberblech und unter der Deckscheibe
geführt wird und dann umgelenkt wird
und warm wieder austritt.
Den Kollektor verwendet man zur Trocknung
landwirtschaftlicher Güter oder wenn man
eine Luftheizung hat,
denn dann ist es sinnvoll, direkt die Luft zu erwärmen.
In Deutschland ist das
sehr selten.
Die letzten Bauformen, die ich Ihnen vorstelle
sind die
konzentrierenden Systeme.
Ich habe das hier unterteilt in drei Varianten.
Sie sehen hier
drei unterschiedliche Möglichkeiten,
unterschieden nach dem Fokus,
der gebildet wird,
d.h. wie wird die Solarstrahlung fokussiert?
Wir haben hier
einen Röhrenkollektor, wo unter jeder
Röhre ein solcher
Reflektor eingebaut ist,
ein sogenannter CPC-Reflektor.
CPC steht für Compound Parabolic Concentrator.
Das entspricht der Form
dieses Spiegels und mit diesen Spiegeln
erreicht man einen höheren Ertrag
pro Quadratmeter Kollektorfläche.
In der Regel
wird das System micht nachgeführt und
man hat einen Konzentrationsfaktor von etwa 2 bis 3.
Das ergibt sich alleine aus
diesem Flächenverhältnis,
also etwa die zwei- bis dreifache Spiegelfläche im
Vergleich zu diesem Absorberrohr.
Die nächste Bauform ist ein ähnliches Prinzip,
sie wird aber häufig im
großtechnischen Maßstab angewendet,
nämlich vor allem für
stromerzeugende Solarkraftwerke.
Es handelt sich um
Parabol-Rinnen-Kraftwerke
beziehungsweise Rinnenkollektoren.
Sie sehen hier, das ist sehr viel größer.
Also so eine Rinne kann
durchaus 3 bis 4 Meter hoch sein
und wird dann
sehr lang hintereinander aufgereiht.
Sie sehen hier diese Konzentratorlinie,
quasi den Absorber.
Das ist ein Absorberrohr,
durch das
Wärmeträger hindurchströmt und
unter dem Absorberrohr liegt
diese Rinne,
die als Linie hier auf das Absorberrohr fokussiert.
Und diese Systeme
werden dann in der Regel einachsig nachgeführt.
Das heißt, dieser Trog wird so gekippt,
dass die Solarstrahlung
möglichst gut eingefangen wird.
Damit erzielt man dann
Konzentrationsverhältnisse,
die schon deutlich höher sind.
Und das nächste Prinzip kennen Sie alle von Ihrer Satellitenschüssel,
könnte man sagen,
eine Fokussierung auf einen Punkt.
Das hier ist jetzt ein einfaches Beispiel,
nämlich ein Solarkocher,
den wir am Institut stehen haben.
Der wird von Hand nachgeführt.
Solche Systeme kann man aber
natürlich zweiachsig nachführen,
sodass man dann diese Schüssel
immer in die Sonne reindreht
und auf diesen Punkt im Fokus
konzentriert.
Hier im unteren Bereich ist
ein Heliostatenfeld dargestellt,
wie man es bei
einem Solarturmkraftwerk verwendet,
wo ein ganzes Spiegelfeld vorhanden ist.
Hier sind exemplarisch
nur vier Spiegel dargestellt.
Das sind in der Regel dann viel mehr,
die alle so zweiachsig nachgeführt werden,
dass sie auf einen Punkt fokussieren,
auf einen Turm mit dem sogenannten Receiver,
in dem dann sehr hohe Temperaturen
über 1.000 °C erzielt werden können.
Ja, diese Grafik hier habe ich gerade unterschlagen,
das ist auch eine linienförmige Fokussierung,
in dem Fall dann nicht
durch einen fokussierenden Spiegel,
sondern durch eine fokussierende Linse.
Die Fokussierungen erlauben Temperaturen über 100 °C,
die werden vor allem
dazu verwendet, Prozesswärme bereitzustellen
in der Industrie oder für Gewerbebetriebe
oder auch zur Stromerzeugung .
Wichtig dabei ist,
dass man nur den Direktstrahlungsanteil
der Solarstrahlung fokussieren kann.
Das hat
die für uns wichtige Konsequenz,
dass diese hochkonzentrierenden Systeme (hier rechts)
in Deutschland
nur sehr wenig verbreitet sind,
weil Deutschland nun mal einen relativ
geringen Direktstrahlungsanteil hat,
also in der Größenordnung von 50 %.
Die andere Hälfte der Solarstrahlung,
sogar etwas mehr als die Hälfte, ist diffuse Strahlung.
Diffuse Strahlung können durchaus
diese CPC-Kollektoren zum Teil miteinfangen.
Daher sind diese Kollektoren hier eine recht
gebräuchliche Bauform mit diesem CPC-Reflektoren.
Die Systeme hier rechts sind in Deutschland
eher unüblich.
Und dann kommen wir schon zur Zusammenfassung.
Das waren die
wichtigsten Bauformen von Kollektoren,
hier noch mal
der Flachkollektor und der Röhrenkollektor
als die wichtigsten Bauformen in Deutschland.
Die Röhrenkollektoren hier gibt es
mit CPC-Reflektor oder auch ohne,
es gibt sie als Heat-Pipe oder als Sydney-Röhre
oder auch in der
Form mit dem koaxialen Rohr.
Die anderen (konzentrierenden Systeme) sind in Deutschland
nicht sehr verbreitet, weil wir diese geringen
Direktstrahlungsanteile haben.
Es gibt wenige Luftheizungen - meistens betreiben wir
Pumpwarmwasserheizungen, wie sie technisch heißen.
Und es gibt wenige Solarabsorber, weil wir in Deutschland
relativ wenig Swimmingpools haben.