Nicht-konz. Solarth. Flashcards
Systeme der Solarthermie können ganz grundsätzlich unterteilt werden in? (2)
nicht konzentrierende Systeme
konzentrierende Systeme
Thermische Nutzung der Solarenergie
Nenne typische Einsatzgebiete! (5)
Solare Schwimmbaderwärmung
Solare Brauchwassererwärmung
Solare Niedertemperaturwärme für Raumheizung
Solare Prozesswärme
Solarthermische Stromerzeugung -> hier konzentrierende Solarthermie (!)
Heizwärme vor allem in Monaten mit weniger Sonnenstunden (siehe Bsp. slide 6)
…
Kollektortypen
Welche Unterteilung gibt es? (3)
nicht konzentrierende Flüssigkeitskollektoren
nicht konzentrierende Luftkollektoren
konzentrierende Kollektoren
(Siehe Übersicht slide 7!)
Nenne 5 nicht-konzentrierende Flüssigkeitskollektoren!
- Einfachabsorber
- Flachkollektoren
- Speicherkollektoren
- Vakuum-Flachkollektoren
- Vakuum-Röhrenkollektoren
Nenne 3 nicht konzentrierende Luftkollektoren
Ein-Pass-Typ
Zwei-Pass-Typ
Glaszellen/Poröses Bett
Wie können konzentrierende Kollektoren unterschieden werden? (3)
Nenne zu jeder Art jeweils 3 Beispiele.
feststehend
-> Flachspiegel
-> Hohlspiegel
-> Evakuierte Röhre
einachsig nachgeführt
-> Paraboltrog
-> Flachspiegelfeld
-> Zylinderlinse
zweiachsig nachgeführt
-> Hellostatenfeld
-> Paraboloid-Spiegel
-> Sphärischer Hohlspiegel
Kollektortypen
Beschrifte bzw. siehe slide 10+11 an!
…
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
Schwimmbadabsorber
Der Wärmebedarf von Freibädern ist gut an das solare Strahlungsangebot angepasst.
Benötigte Wassertemperatur zwischen 16 und 20°C
-> eine Temperaturerhöhung um wenige Grad notwendig
siehe Skizze slide 15+16
…
Schwimmbadabsorber
Als Material werden ?(1)? eingesetzt, diese müssen ?(2)? sein und beständig gegen z.B. Chlor
Geeignete Material sind:
- Polyethylen (PE)
- Polypropylen (PP)
- Ethylen-Propylen-Dien-Monomere (EPDM)
(1) Kunststoffe
(2) UV-beständig
Schwimmbadabsorber
Zeichne/Beschrifte die Wärmeströme in und aus einem Schwimmbecken!
slide 17!
Bild slide 18 (Unverglaster Kollektor im Freibad)
…
Schwimmbadabsorber
Die Größe der Absorberfläche sollte etwa 50 bis 80% der ?(1)? betragen.
Die Kosten liegen bei circa ?(2)? € pro Quadratmeter
-> Betriebskosten entstehen hauptsächlich für ?(3)?
Der Wärmebedarf für Freibäder liegt zwischen 150 kWh und 450 kWh je m^2 Beckenoberfläche
-> Bei einer Wasserfläche von 2000 m^2 lassen sich circa 75.000l Heizöl in der Saison einsparen.
Bei einer ganzjährigen Nutzung bedarf es einer ?(4)?
(1) Beckenfläche
(2) 100€
(3) den Betrieb der Pumpe
(4) Zusatzheizung
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) Zu welchem Problem kam es bei Speicherkollektoren bei längeren Schlechtwetterperioden im Winter?
2) Wie sieht die Lösung aus?
1) Gefahr des Einfrierens
2) Lösung: transparente Wärmedämmung
-> Transmissionsgrad ist etwas schlechter, aber Wärmedurchgangskoeffizient um Größenordnung niedriger
Erkläre die Funktionsweise eines Flachkollektors. Falls notwendig, fertige eine Skizze an. (Probeexam)
Es wird ein Wärmeträger (z.B. Wasser) durch Rohre geleitet.
Die Rohre sind der Sonneneinstrahlung ausgesetzt.
Rohre sind in einem isolierten Gehäuse, sodass weniger Wärme verloren geht.
Skizze slide 22
Flachkollektor
-> Beschrifte slide 22
…
Flachkollektoren
Nenne verschiedene Bauformen! (4)
aufgelötetes Kupferrohr
eingepresstes Kupferrohr
Aluminium Rollbond
Kissenabsorber
Flachkollektoren
Ordne den Abbildungen auf slide 23 die passenden Bauformen zu!
…
Flachkollektor - Stromführung im Absorber
Welche Stromführungen können unterschieden werden? (bzw. wie nennt man die Absorber dann?)
Serpentinenabsorber
Streifenabsorber
Roll-Bon-Absorber
(Abb. slide 24)
Flachkollektor - Verluste
Die größten thermischen Verluste entstehen bei was? (3)
der Reflexion
der Konvektion
der Strahlung
(siehe slide 25)
Wie hoch ist die typische Leistungsfähigkeit eines Flachkollektors? (in %)
zwischen 50-60%
Flachkollektor
Die Energieumwandlung pro Jahr ist stark abhängig von der ?(1)?, den ?(2)? und der Anwendung, liegt jedoch ca zwischen 250-600 kWh/m^2
(1) Lokalität
(2) klimatischen Bedingungen
Flachkollektor
Energieumwandlungskette am Kollektor
siehe slide 26!
Abbildungen Spiegel, nicht selektiver Absorber und selektiver Absorber (siehe slide 27)
…
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 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
Flachkollektoren besitzen bei hohen Temperaturen geringeren Wirkungsgrad als Vakuumkollektoren durch höheren U-Wert.
Wahr/Falsch?
Wahr
(NACHTEIL)
Vakuumkollektoren
1) Beschreibe Aufbau!
2) Welche Formen werden unterschieden? Beschreibe die Funktion! (ggf. auch mit Skizze)
1) Bestehend aus:
- einer Vakuumröhre
- einem Wärmerohr mit selektiver Beschichtung
- einem Wärmetauscher mit Fluid
2)
Einfachausführung Vakuumröhrenkollektoren
Heatpipe Vakuumröhrenkollektoren
-> Wärmetransport durch ein verdampfendes und kondensierendes Fluid innerhalb des Rohres
-> höhere Temperaturen möglich
-> Skizzen slide 32! (VL nicht-konz.)
Bei der Flachkollektoren ist bei der Flachdachmontage eine Aufständerung erforderlich (mit Verankerung oder Gegengewichten)
Wahr/Falsch?
WAHR
(NACHTEIL)
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
Vakuumröhrenkollektoren erreichen hohen Wirkungsgrad bei großer Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Umgebung.
Wahr/Falsch?
Wahr (Vorteil)
Vakuumröhrenkollektoren erreicht Temperaturen zur Dampferzeugung oder für Absorptionskältemaschinen.
Wahr/Falsch?
Wahr (Vorteil)
Vakuumröhrenkollektoren lässt sich durch Drehung der Absorberstreifen zur Sonne ausrichten.
Wahr/Falsch?
Wahr (Vorteil)
Vakuumröhrenkollektoren lässt sich horizontal auf Flachdach montieren
-> dadurch geringere ?(1)? und geringere ?(2)?
-> Durchdringung der ?(3)? nicht notwendig
(1) Windlast
(2) Montagekosten
(3) Dachhaut
Im Vergleich zu Flachdachkollektoren weisen Vakuumröhrenkollektoren einen geringeren Wirkungsgrad bezogen auf die Gesamtfläche des Kollektors bei niedrigen Betriebstemperaturen auf.
Warum?
da effektiv kleinere Absorberfläche
-> Bei geringeren Temperaturen ist der Vorteil der Vakuumisolierung geinger!
Vakuumröhrenkollektoren lassen keine Horizontalmontage bei Heatpipe-Systemen zu.
Wahr/Falsch?
Wahr
Vakuumröhren sind effizienter als Flachdachkollektoren, aber auch teurer.
Wahr/Falsch?
Wahr
Wirkungsgrad
-> siehe slide 36!
…
Wirkungsgrad
Optische Verluste (abhängig vom ?(1)?)
Thermische Verluste (abhängig von ?(2)?)
(1) Glas
(2) der Dämmung
Wirkungsgrad
Wie berechnet man den Wirkungsgrad?
Üblicherweise beschreibbar mit einer linearen Kurve:
eta = eta0 - K x T*
T* = (Tsube - Tsuba) / I
eta0 = alpha * τ
Mit:
eta0: optischer Wirkungsgrad
alpha: Absorptionsgrad des Kollektors
τ: Transmissionsgrad der Abdeckung
K: Verlustfaktor (= Wärmeübergangskoeffizient des gesuchten Kollektors)
Tsube: Kollektormitteltemp.
Tsuba: Umgebungstemp.
I: Solarstrahlung
Der optische Wirkungsgrad stellt den maximalen Wirkungsgrad des Solarkollektors dar.
Wahr/Falsch?
Wahr
Wirkungsgrad - Kollektorwirkungsgrade und Einsatzgebiete
Vergleiche Schwimmbadabsorber, Flachkollektor und Vakuumröhrenkollektor anhand Wirkungsgrad und Einsatzgebiet (Temperaturbereich zwischen Kollektor- und Umgebungstemperatur)
siehe slide 37!
Vakuumröhrenkollektoren sind am effizientesten aber auch sehr teuer.
Wahr/Falsch?
Wahr
Was ist ausschlaggebend für den Wirkungsgrad?
Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur
-> siehe slide 38
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!
Leistung und Ertrag eines Kollektors
Leistung ist definiert als Produkt des ?(1)? und einer angenommenen ?(2)?
(1) optischen WIrkungsgrades (eta0)
(2) maximalen Einstrahlung von 1000 W/m^2
Bsp.: eta0 = 0,8
-> P = 0,8 x 1000 W/m^2 = 800 W/m^2
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
Bsp.-Abbildungen Dachinstallationen und Fassadenmontage (slide 42+43)
…
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!
Solarthermische Wassererwärmung
Wärme von der Sonne für heißes Wasser.
Anlagenkomponenten
-> Beschrifte slide 46!
…
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))
Thermosyphonanlage
Zeichne das System:
- ohne Umlauf
- mit offenem Zwangsumlauf
- mit geschlossenem Zwangsumlauf
-> siehe slide 50!
…
Thermosyphonanlage
Auf Flachdächer wird der Speicher oft direkt aufs Dach gestellt.
-> Der Kollektor ist dann ebenfalls auf dem Dach oder an der Südwand des Hauses montiert
Bei Giebeldächern muss der Speicher möglichst weit oben im Dach montiert werden, wenn sich der Kollektor ebenfalls auf dem Dach befinden soll.
Das hohe Gewicht des Speichers kann zu Problemen mit der ?(1)? führen.
Tragfähigkeit
Nenne Nachteile einer Thermosyphonanlage! (3)
Nachteile:
- typischerweise befinden sich Heizungsanlagen im Keller eines Gebäudes -> Kopplung dann schwierig
- System eher träge
- Anordnung Speicher / Kollektor
-> Speicher muss sich auf einem höheren Niveau befindet als Kollektorfläche
((Erin: Speicher auf Dach WestB))
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!
Solarthermische Speicher
-> slide 52
…
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 (nicht-konz. II)
Leistung Aufwindkraftwerk
-> siehe slide 4 (nicht-konz II)
…
Welche Parameter beeinflussen die Leistung (jährliche Strombereitstellung) eines Aufwindkraftwerkes?
Solare Einstrahlung
Kollektordurchmesser
-> größer -> höhere Erwärmung
Turmhöhe
-> höhere Turmhöhen –> höhere Temp.differenz –> mehr Leistung
Aufwindkraftwerk Wärmespeicherung für Betrieb (Kamineffekt) auch bei Nacht!
-> siehe slide 5+6 (nicht konz. II)
…
Bsp. Aufwindkraftwerke (Prototyp) -> slide 8+9 (nicht-konz. II)
…
Erkläre die Funktionsweise eines Solarteichs.
Künstlich angelegter See/Teich zur Erzeugung und Speicherung von Wärme
Besteht aus vers. Schichten:
1. Oberflächenschicht (Wasser)
2. Wärmespeicherschicht (Wasser + Salz)
3. Konvektionsschicht
4. Bodenschicht (Kies o. wasserdichtes Material)
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
