Exa (nicht-konz. + konz. Solarth.) Flashcards
Kollektortypen
Welche Unterteilung gibt es? (3)
nicht konzentrierende Flüssigkeitskollektoren
nicht konzentrierende Luftkollektoren
konzentrierende Kollektoren
(Siehe Übersicht slide 7 (nicht-konzentrierende VL!))
Solarthermie = ??
= thermische Nutzung der Solarenergie
Um Kenndaten von Kollektoren zu ermitteln, muss zuerst die betrachtete Fläche ermittelt werden.
1) Bei Kollektoren werden folgende Flächen unterschieden: ?? (3)
2) Zeichne einen (verallgemeinerten) Kollektor und markiere die jeweiligen Flächen!
1)
Bruttofläche
Aperturfläche
Absorberfläche
2) siehe slide 12!
Beschreibe die Energieumwandlungskette bei nicht-konzentrierender Solarthermie!
Strahlungsenergie der Sonne (diffus + direkt)
->
Umwandlung der Photonenenergie in Wärme im Absorber
->
Wärmeleitung im Absorber
->
Wärmeübertragung an Wärmeträgermedium
->
ggf. weitere Wärmeübertragung an Speichermedium
Speicherkollektor
Skizziere und beschreibe kurz den Aufbau!
Gute Dämmung auf der Rückseite.
Reflektoren an der Rückwand lenken das Licht auf den Speicher
Wärmespeicher ist direkt im Kollektor integriert
-> Skizze slide 20!
Nenne einen Nachteil von Speicherkollektoren!
deutlich höheres Gewicht des Kollektors
-> dadurch nicht bei allen Dachkonstruktionen einsetzbar!
1) Wozu werden Beschichtungen eingesetzt?
2) Welche Art von Beschichtungen werden eingesetzt?
3) Nenne Beschichtungen, die in modernsten Flachkollektoren genutzt werden?
1) Sollen die solare Strahlung absorbieren und in Wärme umwandeln
2) Selektive Beschichtung: Beschichtungen mit einer hohen Absorptionsrate von Strahlung der Wellenlänge 0,3 - 2,5 μm ((optimiert für diese Wellenlängen, in anderen Wellenlängenbereichen deutlich geringere Absorptionsraten))
3) folgende selektive Beschichtungen:
- Schwarzchrom
- Cermet
- Tinox
(-> Tabelle slide 28)
Flachkollektor - Typische Absorberabdeckungen
1) Welche beiden Eigenschaften/Kategorien sind bei der Auswahl entscheidend/wichtig? (2)
2) Nenne bsph. Abdeckungen die zum Einsatz kommen! (2)
3) Welche Struktureigenschaften weisen diese Materialien meist auf, warum?
1)
- solarer Transmissionsgrad
-> sollte möglichst hoch sein
- Beständigkeit (des Transmissionsgrades)
-> sollte nur möglichst geringe Abnahme aufweisen
2) z.B.:
- FEP (Teflon)
- Eisenfreies Glas gehärtet
(-> mehr Tabelle slide 29)
3) poröser und weniger glatte Oberflächenstruktur, um weniger Reflektion und mehr Transmission zu ermöglichen
(-> siehe z.B. slide 30: Standardsolarglas 91% Transmission, Antireflexglas 96% Transmission)
Nenne 2 Vorteile und 2 Nachteile von Flachkollektoren!
Vorteile:
- besitzt gutes Preisleistungsverhältnis
(-> auch preisgünstiger als Vakuumkollektoren)
- bietet vielseitige Montagemöglichkeiten (Aufdachmontage, dachintegrierte Montage, Fassadenmontage und Freiaufstellung)
Nachteile:
- für die Herstellung hoher Temperaturen nicht geeignet (z.B. Dampferzeugung, …)
- größerer Flächenbedarf als Vakuumkollektoren
Erkläre die Funktionsweise eines Vakuumröhrenkollektors. (Altkl.)
Wärmetransport durch ein verdampfendes und kondensierendes Fluid innerhalb des Rohres.
Durch Einstrahlung verdampft Fluid, steigt auf und gelangt in Wärmetauscher. Dort kondensiert es und fließt im Rohr wieder nach unten, um erneut zu verdampfen.
Nenne 3 Vor- und 2 Nachteile von Vakuumröhrenkollektoren!
Vorteile:
- erreicht hohen Wirkungsgrad bei niedrigen Einstrahlungen
- effektiver in der Heizungsunterstützung
- erreicht Temperaturen zur Dampferzeugung oder für Absorptionskältemaschinen
Nachteile:
- teurer als Flachkollektoren
- kann nicht für Indachmontage eingesetzt werden
Der optische Wirkungsgrad stellt den maximalen Wirkungsgrad des Solarkollektors dar.
Wahr/Falsch?
Wahr
Vakuumröhrenkollektoren sind am effizientesten aber auch sehr teuer.
Wahr/Falsch?
Wahr
Ordne die folgenden nichtkonzentrierenden Kollektoren nach der Höhe des typischen Temperaturbereiches in °C!
(Flachkollektor, Einfachabsorber, Vakuumröhrenkollektor)
Einfachabsorber (0-30°C)
<
Flachkollektor (20-80°C)
<
Vakuumröhrenkollektor (50-120°C)
-> siehe slide 39 mehr Details!
Wichtiger als die maximale Leistung ist der ?(1)? eines Kollektors, die Energie pro Zeit korreliert mit der ?(2)?
(1) Ertrag
(2) zur Verfügung stehenden Fläche in m^2
Beschreibe die Problematik der richtigen Dimensionierung der Kollektoren!
Für die nördliche Hemisphäre muss ein Kompromiss zwischen der Wärmeproduktion des Sommers und des angestrebten Beitrags im Winter getroffen werden.
(siehe slide 44)
Solarthermische Wassererwärmung
Welche beiden Fälle werden unterschieden?
Wärme von der Sonne für heißes Wasser
Wärme von der Sonne für Warmwasser und zum Heizen
-> Beschrifte Abbildung und Schritte slide 45!
Thermosyphonanlage
1) Erkläre das Konzept des Thermosyphon (offener Betrieb).
2) Worauf muss beim geschlossenen System geachtet werden?
3) Fertige hierzu zusätzlich eine Skizze an die das Prinzip wiedergibt.
(Probeexam)
1)
Bei offenen Thermosyphon wird Wasser aus einem Speicher mit einem Kollektor erhitzt.
Der Kollektor ist vertikal aufgebaut, sodass warmes Wasser nach oben steigt.
Dadurch entsteht ein natürlicher Umlauf des Wassers, sodass keine weitere Pumpe benötigt wird
2)
Bei einem geschlossenem Kreislauf muss noch ein Überdruckventil und ein Ausdehnungsgefäß installiert werden
3)
Skizze siehe slide 50 (VL nicht konz.)
-> (nur offener Naturumlauf (Thermosyphon) und geschlossener Naturumlauf (Thermoyphon))
Nenne Nachteile einer Thermosyphonanlage! (3)
Nachteile:
- typischerweise befinden sich Heizungsanlagen im Keller eines Gebäudes -> Kopplung dann schwierig
- System eher träge
- Anordnung Speicher / Kollekor
Thermosyphonanlage
In Gebieten mit Frostgefahr ist was notwendig? Erkläre!
Einsatz eines Zweikreissystems
-> Im Speicher befindet sich normales Brauchwasser und kann direkt aus diesem entnommen werden
-> Im Solarkreis fließt mit Frostschutz (oft Glykohl) versehenes Wasser
-> Im Speicher befindet sich ein Wärmetauscher, mit dem die Wärme vom Solarkreis an das Brauchwasser übergeben wird
Worin liegt der grundlegende Unterschied zwischen Naturumlauf (Thermosyphon) und Zwangsumlauf?
Bei Zwangsumlauf kann der Speicher auch auf einem niedrigeren Höhenniveau als der Kollektor angebracht werden. Es muss dafür aber eine Pumpe zum Einsatz kommen.
-> siehe Abbildung slide 50!
1) Erkläre das Konzept des Aufwindkraftwerks!
2) Bewerte das Konzept bzgl. auf dessen Effizienz
Fertige auch eine Skizze an.
Nutzt die Energie von aufsteigender warmer Luft um Strom zu erzeugen.
Turbinen in Kaminröhre installiert
-> nachdem die warme Luft durch die Turbine geströmt ist, wird sie oben am Kamin wieder ausgestoßen, wo sie sich abkühlt und wieder absinkt
-> ständiger Luftstrom
2) geringere Effizienz als andere Solaranlagen, ABER sie können auch bei bedecktem Himmel o. in der Nacht Strom erzeugen
3) Skizziere Abbildung slide 3
Welche Parameter beeinflussen die Leistung (jährliche Strombereitstellung) eines Aufwindkraftwerkes?
Solare Einstrahlung
Kollektordurchmesser
-> größer -> höhere Erwärmung
Turmhöhe
-> höhere Turmhöhen –> höhere Temp.differenz –> mehr Leistung
Nenne vier Systeme der konzentrierenden Solarthermie und zeichne diese!
Solarturm
Parabolrinnenkollektor (bzw. -Spiegel)
Paraboloid (bzw. Parabol-Spiegel)
Linear-Fresnel-Kollektor
-> Skizzen slide 3!! (konz. Solarth. I)
Was ist ein wesentlicher Unterschied hinsichtlich des Anwendungsbereiches von nicht-konzentrierender Solarthermie und konzentrierender Solarthermie?
Nicht-konzentrierende Solarthermie wird hauptsächlich für Wärmzwecke eingesetzt.
Die konzentrierende Solarthermie hauptsätzlich zur Strombereitstellung
Konzentrierende Solarthermie
Beschreibe das allgemeine Prinzip durch eine Skizze.
-> Wie berechnet sich der Konzentrationsfaktor C?
Skizze siehe slide 4!
C = AsubK / AsubR
Mit:
AsubK: Fläche des Konzentrator
AsubR: Fläche des Receivers
(häufig aber eher Reflektion am Konzentrator (Spiegel))
Bei der konzentrierenden Solarthermie können die Systeme wie unterteilt werden? (2)
-> Nenne je zwei Beispiele!! (4)
Linienkonzentratoren
-> Parabolrinnenkollektor
-> Linear-Fresnel-Kollektor
Punktkonzentratoren
-> Paraboloide (bzw. Solar dish)
-> Solarturm
Linienkonzentratoren
- Parabolrinnenkollektor
- Linear-Fresnel-Kollektor
Punktkonzentratoren
- Paraboloide (bzw. Solar dish)
- Solarturm
Welche Konzentrationsfaktoren liegen circa vor jeweils?
Linienkonzentratoren:
- Parabolrinnenkollektor
-> C = 15-90 - Linear-Fresnel-Kollektor
-> C = 10-80
Punktkonzentratoren:
- Paraboloid (bzw. solar dish)
-> 100-1000 - Solarturm
-> 100-1500
-> also Punktkonzentrationen allg. höhere Konzentrationsfaktoren
Nenne und Skizziere je ein Beispiel für einen Linienkonzentrator und einen Punktkonzentrator.
Gebe jeweils typische Konzentrationsfaktoren an! (Probeexam)
Linienkonzentrator:
-> z.B. Parabolrinnenkollektor (C = 15-90)
Punktkonzentrator:
-> z.B. Paraboloide (bzw. Solar dish) (C = 100-1000)
Skizzen siehe slide 7!
Häufig werden nicht-konzentrierende solarthermische Anlagen in Verbindung mit einem Wärmespeicher betrieben.
1) Benenne und skizziere die 4 häufigsten Umlaufkonzepte!
2) Erkläre eines dieser Umlaufkonzepte! (nehme offenen Naturumlauf)
(Altkl.)
1)
Offener Naturumlauf (Thermosyphon)
Geschlossener Naturumlauf (Thermosyphon)
Offener Zwangsumlauf
Geschlossener Zwangsumlauf
-> Skizzen siehe slide 50!!
2)
Erläuterung offener Naturumlauf (Thermosyphon):
- Bei offenem Thermosyphon wird Wasser aus einem Speicher mit einem Kollektor erhitzt.
- Der Kollektor ist vertikal aufgebaut, sodass warmes Wasser nach oben steigt.
- Dadurch entsteht ein natürlicher Umlauf des Wassers, sodass keine weitere Pumpe benötigt wird
Konstruktion: Parameter zur Kollektorinstallation
Welcher Hauptparameter muss bei der Kollektorinstallation beachtet werden?
Widerstandsfähigkeit gegen hohe Windstärken
(normale Nutzung bis Windstärken von 60 km/h)
(bei Windstärken bis zu 120 km/h wird eine Stauposition eingenommen)
Nenne Komponenten bei der Parabolrinne! (8)
Parabolreflektor
Absorberleitung
Metallgerüst
Sonnennachführungssystem
Fahrsystem
Rohrverbindungen
Fundament
Wärmeübertragendes Fluid
Welches Arbeitsmedium wird meist für linienfokussierende Systeme eingesetzt und welche Charakteristika weist es auf?
Wärmeübertragung durch Fluide im Absorber
-> meist synthetisches thermisches Öl:
Therminol VP-1 für Temperaturen zwischen 200 - 380°C
Charakteristika:
- gute Wärmeübertragung
- stabile chem. Eigens.
- meistens flüssig genutzt
- niedrige Viskosität (bei 120-400°C)
- giftig und brennbar
Erkläre das Konzept des Linear-Fresnel-Kollektors.
Skizziere ihn auch!
Einachsige Sonnennachführung
Nutzung von flachen Spiegeln mit unabhängigen Bewegungsmöglichkeiten zur linearen Fokussierung
Skizze slide 3!
Linear-Fresnel-Kollektor: Optische Verluste
Bei seitlichem Lichteinfall (morgens und nachmittags) gibt es die folgenden optische Effekte am Linear Fresnel Kollektor: ?? (3)
Kosinusverluste
-> Verluste an den Spiegeln wegen unterschiedlicher Einfallswinkel
Verschattung
-> abhängig vom Sonnenstand, gibt es teilweise Abschattungen benachbarter Spiegel
Blockierung
-> bei starker Inklination der äußeren Spiegel können sie benachbarte Spiegel abschatten
(siehe Abbildungen slide 31!)
Was ist der Grund warum der optische Wirkungsgrad beim Linear Fresnel Kollektor kleiner ist als beim Parabolrinnenkollektor?
Da neben Kosinusverlusten beim Linear Fresnel Kollektor auch Blockierungen und Verschattungen auftreten.
(siehe slide 31+32)
Nenne 3 Vorteile des Linear-Fresnel-Kollektors im Vergleich zu Parabolrinnenkollektor!
Geringere Investitionskosten
-> planare (flache) Spiegel in bodennähe installiert und einfache Nachführsysteme
Benötigt weniger Landfläche pro MW Kapazität im Vergleich zu anderen Solarkollektoren
-> können nebeneinander platziert werden
Verringerte Windlast durch flache Reflektoren in Bodennähe
-> ermöglicht leichtere Konstruktionen und einfachere Nachführungen
Grundsätzlich benötigen Linear Frisnel Kraftwerke bis zu ?(1)? weniger Material, um die gleiche thermische Energie wie ein Parabolrinnenkraftwerk zu erzeugen
70%
Bei Paraboloiden (bzw. Solar dish) kommt als Wärmekraftmaschine was zum Einsatz?
Sterling-Motor
Sterlingmotor
Welche Energieumwandlung findet statt?
Wärmeenergie wird in elektrische Energie umgewandelt.
Sterling Kreisprozess
-> Zeichne ihn im p-V und T-s-Diagramm!
-> Kennzeichne die Arbeitsschritte und wo Wärme zu-abgeführt wird
siehe slide 51!!
Sterling Kreisprozess
Nenne die Prozessschritte!
1->2: Isotherme Expansion
2 -> 3: Isochore Wärmeabfuhr
3 -> 4: Isotherme Kompression
4 -> 1: Isochore Wärmezufuhr
-> siehe slide 51
Solarturmkraftwerk
1) Beschreibe das Konzept!
2) Skizziere es!
1)
Kreisförmig angeordnete Heliostate konzentrieren die Sonneneinstrahlung auf einen zentralen Empfänger
Empfänger hat Wärmetauscher, der die Energie in Wärme umwandelt.
Wärmemittel: Wasser, Salz, unter Druck stehendes Gas mit bis zu 1500°C
Heliostate sind zweiachsig und in Reihen verteilt
Durch die hohe Konzentration sind hohe Wirkungsgrade möglich.
2) slide 7!
2-achsige Heliostate benötigen viel mehr Fläche als Parabolrinnenkollektoren oder Linear Fresnel Kollektoren, aber?
sie nutzen die eingestrahlte Energie besser
Solarthermisches Kraftwerk
Die durch Linear-Fresnel-Kollektor, Solarturm oder auch Paraboloidrinnenkollektor erzeugte Wärme auf einem hohen bis sehr hohen Temperaturniveau kann genutzt werden, um einen Kraftwerksprozess anzutreiben.
Welche Kraftwerksprozesse kommen in Betracht?
Clausius-Rankine-Przozess (Dampfkraftprozess)
Joule-Prozess (Gasturbinen-Prozess)
Kombination (GuD-Prozesse)
Solarthermisches Kraftwerk
Clausius-Rankine-Prozess (Dampfkraftprozess)
-> zeichne den Prozess!!!
Lösung siehe slide 58 (in der Mitte, aber außen auch mit ansehen)!!
Clausius-Rankine-Prozess
Links oder rechtslaufender Kreisprozess?
Geschlossener oder offener Prozess?
rechtslaufender Kreisprozess (Arbeit aus Wärme)
geschlossener Prozess
Solarthermisches Kraftwerk mit geschlossenem Joule-Prozess (Gasturbinen-Prozess)
Skizziere das Kraftwerkskonzept!
slide 62 (konz. Solarth. I) oben rechts!!
Solarthermisches Kraftwerk mit geschlossenem Joule-Prozess (Gasturbinen-Prozess)
Zeichne den Prozess in ein p-v- und ein T-s-Diagramm!
Nenne auch die einzelnen Prozessschritte!
1 -> 2: isentrope Kompression (s konstant)
2 -> 3 isobare Wärmezufuhr
3 -> 4: isentrope Expansion
4 -> 1: isobare Wärmeabfuhr bei abnehmendem spezifischen Volumen v
siehe Diagramme slide 62!!! (konz. Solarth. I)
Benenne und Skizziere ein solarthermisches Kraftwerkskonzept mit Speicher!
Parabolrinne mit Dampfprozess
-> Zeichne Abbildung auf slide 57!!
Solarthermische Kraftwerkskonzepte
1) Nenne ein mögliches solarthermisches Kraftwerkskonzept (solarthermische Anlage und Kreisprozess)!
2) Skizziere (technische Skizze) das von dir genannte Kraftwerkskonzept!
3) Skizziere den Kreisprozess in einem T-s- und einem p-v-Diagramm und benenne die einzelnen Prozessschritte!
4) Könnte das von dir gewählte Kraftwerkskonzept rund um die Uhr betrieben werden? Warum / Warum nicht?
1) Entscheiden, ob ein Konzept mit Dampfprozess oder mit Gasturbinen-Prozess
-> z.B. Parabolrinne mit Dampfprozess (Clausius-Rankine-Prozess)
-> z.B. Solare Gasturbine mit Gasturbinen-Prozess (Joule-Prozess)
2)
bei Parabolrinne mit Dampfprozess (Clausius-Rankine-Prozess)
-> slide 57
bei Solare Gasturbine einfach Joule-Prozess (siehe slide 62 oben rechts)
3)
bei Parabolrinne mit Clausius-Rankine-Prozess siehe slide 59+60!
bei Solare Gasturbine mit Joule-Prozess
-> siehe slide 62!
4)
Parabolrinne, Solarturm und Fresnel nur mit Speicher (!)
Thermische Speicher für Solarwärme
Warum sind diese wichtig?
sind das entscheidende Element für die Markteinführung der konzentrierenden solarthermischen Nutzung
-> erweitern die Kapazität von solarthermischen Kraftwerkskonzepten (Nutzung Tag und Nacht)
-> Kopplung ermöglicht Rechtfertigung der teuren Solartechnologie
Skizziere und benenne zwei typische solarthermische Energiewandler! Das Funktionsprinzip muss klar erkennbar sein!
-> Ich nehme Speicherkollektor und Paraboloid-Spiegel!
Speicherkollektor (gehört zu nicht konzentrierenden Flussigkeitskollektoren)
-> siehe in Zsmf. auf slide 2/VL slide 20 !
Paraboloid-Spiegel (gehört zu konzentrierenden Kollektoren)
-> siehe slide 7 (konz. Solarth. I)
Wärmespeicher
Kommerziell sind momentan welche Speicher im Einsatz? (2)
Dampfakkumulatoren
2-Tank Salzschmelzespeicher basierend auf Nitratsalzen
Wärmespeicher
Kommerziell heute:
- Dampfakkumulatoren
- 2-Tank Salzschmelzespeicher basierend auf Nitratsalzen
Nenne 2 Alternativen, die sich in der Erprobung befinden!
Beton-Feststoffspeicher
PCM-Speicher (Phase-Change-Material)
