Energietechnik 2 Erneuerbare Energien Teil ROMMEL: Solarthermie

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1 Tabelle 1: Messmethoden Pyrheliometer Messung der direkten Normalstrahlung (2- Achsige Sonnennachführung) Tabelle 2: Allgemeine Gleichungen Wärmedurchgang Wärmeübergang Wärmestrom durch einen Hohlzylinder, resp. Mehrschichtige Zylinderwand Pyranometer Messung der horizontalen Globalstrahlung. Spektrale Reichweite: 50%, nm. Empfindlichkeit: 7-14μV/(W m 2 ) Wärmedurchgangskoeffizient [ ] Wärmekapazität Pyranometer mit Schattenring Messung der horizontalen Diffusstrahlung. Schattenring muss täglich manuell der Deklination nachgestellt werden Colin Cianelli Version 1.3 WICHTIG: Wo nicht anderst vermerkt gelten SI-Einheiten 1

2 Tabelle 3: Wirkungsgrade, Exergie Wirkungsgrad von Carnot Minergie Kennwerte Flachkollektor Exergieanteil Analogie zur Elektrotechnik Serienschaltung von Isolationen: Widerstände addieren sich Parallelschaltung von Isolationen Leitwerte addieren sich Elektrotech. Thermodyn. U-Wert für parallele Leitwerte (z.b. Fenster und Wand, Wand und Nägel etc.) Strahlungsaustausch im IR- Bereich Temperatur an einer Bestimmten Stelle Der Wärmestrom durch eine Wand/Fenster ist konstant, Daraus kann die Temperatur an einer beliebigen Stelle in der Wand/Fenster bestimmt werden: Absorber AG =Kollektorfläche AA = Absorberfläche Aa = Aperturfläche Die Aperturfläche Aa entspricht bei Vakuumröhren (mit rückseitigem Reflektor entspricht die Aperturfläche der Projektionsfläche des Reflektors) Die Absorberfläche AA entspricht bei Vakuumröhren L*dA *Anzahl Röhren U-Wert (näherungsweise) Strahlungskonzentration: [ ] Selektive Beschichtung für Solarabsorber Tabelle 4: Verglasungstypen Mehrscheiben-Isolierverglasung Colin Cianelli Version 1.3 WICHTIG: Wo nicht anderst vermerkt gelten SI-Einheiten 2

3 IR-Strahlungsaustausch 1. Fall 1.Fall Beide Flächen der Grösse A parallel und sehr gross gegenüber dem Abstand IR-Strahlungaustausch 2. Fall Die Fläche A 1 ist sehr klein gegenüber der anderen Fläche Aktiv: Nutzung der Solarenergie mit einem Maschinentechnischen Aufwand Passiv: Nutzung der Sonnenenergie im Gebäude durch bauliche Massnahmen oder durch Ausnutzung der Naturumwälzung (Thermosiphonsysteme) Colin Cianelli Version 1.3 WICHTIG: Wo nicht anderst vermerkt gelten SI-Einheiten 3

4 Tabelle 5: Optische Wirkungsgrade, Leistung Optischer Wirkungsgrad, Konversionsfaktor im Stillstand (η=0), Verlustkoeffizient a, a1, a2 in W/(m2K) Wirkungsgrad (steht so im Skript, geht aber eigentlich nicht, da verschiedene Einheiten) Tabelle 7: Einstrahlwinkelkorrekturfaktor (Vakuumröhrenkollektor) IAM (θ) Tabelle 8: Transmission, Absorption, Reflexion Es gilt: Es gilt Transparente Materialien: Opake Materie Ideal Absorbierende Materie(schwarzer Körper) Kirchhof sches Gesetz (für jede Wellenlänge, jede Richtung) Spektraler Absorptionsgrad für ein gegebenes Solarsektrum Spektraler Transmissionsgrad für ein gegebenes Solarspektrum Spektraler Emissionsgrad für ein gegebenes Solarspektrum Leistung Konvention (wird als reduzierte Temp. bezeichnet) FR (Heat Removal Factor), Wärmeabfuhrfaktor Tabelle 6: Einstrahlwinkelkorrekturfaktor (Flachkollektor) Senkrechte Einstrahlung Winkelabhängige Einstrahlung Extinktionskoeffizienten K Solarglas: 4/m Fensterglas: 20/m Teflon: 59/m Tedlar: 140/m Umrechnung der Kolletorkennwerte auf andere Bezugsflächen η a1a 3.9 W/(m2K) a2a W/(m2K2) Aa 2.35 m2 IAM(θ) IAMb(θ) (Beam Radiation, Direktstrahlung) Ambrosetti-Formel [ ] IAMb(θ) ASHRAE-Formel / b0-formel Bei senkrechter Einstrahlung Leistung Wobei: Colin Cianelli Version 1.3 WICHTIG: Wo nicht anderst vermerkt gelten SI-Einheiten 4

5 Tabelle 9: Herstellverfahren Sputter (Kathodnzerstäubung) PVD(Physical Vapour Deposition) -Kontinuierlich -Kratzfester als Aufdampfen (PVD) Batchweise Tabelle 12: Wärmeverluste Wärmeverluste durch Frontseite bei Flachkollektoren Utop Tabelle 10: Reflexions- und Transmissionsgrad einer Scheibe Gesetz von Snellius Für n=1 (Vakuum oder Luft) Reflexionskoeffizient bei Senkrechter Einstrahlung (Anteil welcher Reflektiert wird) Gesamt Transmissions- und Reflexionsgrad einer Scheibe bei senkrechter Einstrahlung Winkelanhägiger Reflexionskoeffizient Gesamt-Transmissionsgrad von 2 Scheiben hintereinander * ( [ ] ) + Wobei: Kollektor-Gesamtverluste { [ ] } ( Reflexionsgrad Gesamt Reflexionsgrad Abbildung 1: Einfluss des Abstandes zw. Glasscheibe & Absorber auf die Wärmeverluste durch die Frontseite Tabelle 11: Kollektor-Gesamtverluste Tabelle 13: Wärmedurchgang durch Mehrschichtige Wände Wärmestrom Mehrschichtige Wand ( ) Mehrschichtiger Hohlzylinder ( ) Mehrschichtige Hohlkugel ( ) Colin Cianelli Version 1.3 WICHTIG: Wo nicht anderst vermerkt gelten SI-Einheiten 5

6 Tabelle 14: Wärmeverluste von realen Speichern in W/K Blauer Engel EN Speichertemperatur in Abhängigkeit der Zeit (PT-1 Verhalten) Tabelle 16: Nicht Konzentrierende Solarthermie Wobei die Zeitkonstante: : Strahldichte Le, Tabelle 15: Definition solarer Deckungsanteil f sol Gezapfte Wärmemenge(Energie, die als Nutzwärme abgeführt wird) Zusatzenergie(Energie von konventionellen Nachheizsystem) Zusatzenergie(Energie durch den Speicher verloren geht und kompensiert werden muss) Solarer Deckungsanteil Solarer Nutzungsgrad Colin Cianelli Version 1.3 WICHTIG: Wo nicht anderst vermerkt gelten SI-Einheiten 6

7 Solaranlagen Wärmeübergang, -durchgang bei Rohren: Rohr (drohr=15 = di) Isolation (Dicke=15mm => da= 45mm) - Einfache Länge = Länge vom Vorlauf oder Rücklauf, also 1 mal vom Haus zum Kollektor Colin Cianelli Version 1.3 WICHTIG: Wo nicht anderst vermerkt gelten SI-Einheiten 7

8 Nomenklatur: Einheit Bezeichnung Dimension/Wert [A] Fläche m 2 [Aa] Aperturfläche m 2 [AA] Absorberfläche m 2 [AB] Bruttofläche m 2 [AKF] Kollektorfläche m 2 [a] Korrekturfaktor W/(m 2 K) [a1] Korrekturfaktor W/(m 2 K) [a2] Korrekturfaktor W/(m 2 K 2 ) [b0] Faktor für ASHAE-Formel -?? [cp] Spez. Wärmekapazität J/(kg K) [E] Solare Einstrahlung W/m 2 [FS] Faktor zur Berücksichtigung der Verschattung - (1=keine Verschattung) [G] Solarstrahlung 1367 W/m 2 IAM [K] Extinktionskoeffizient 1/m [k] Wärmedurchgangskoeffizient W/(m 2 K) [k ] Wärmedurchgangszahl W/(m K) [m] Masse kg MIR Mehrscheiben Isolierverglasung [n] Brechnungsindex - [Q] Wärmemenge Ws, J [Q*] Wärmestrom W, J/s [r] Koeffizient für Ambrosetti-Formel - [rn] Reflexionskoeffizient, senkrechte Einstrahlung (bezogen auf Transmission) - [si] Schichtdicke m SZR Scheibenzwischenraum - [T] Absolute Temperatur K [Tm] Arithm. Mittelwert von T1 und T2 K [U] Wärmedurchgangskoeffizient W/(m 2 K) [UAmax]? W/K [Ug] U-Wert der Glasfläche, Center of glass value W/(m 2 K) [Uf] U-Wert der Rahmenfläche W/(m 2 K) [Uw] U-Wert des Fensters insgesamt W/(m 2 K) [UW,E] U-Wert des eingebauten Fenstern inklusive Wärmebrückenverluste (durch Einbau verursacht) W/(m 2 K) [VS] Nennvolumen, Fassungsvermögen Liter [α] Wärmeübergangskoeffizient W/(K m) [ε] Hemisphärischer Emissionsgrad - [σ] Stefan-Boltzmann-Konstante 5.67*10-8 W/(m 2 K 4 ) [λi] Wärmeleitfähigkeit W/(K m) [ηg] Ausnutzungsgrad der Wärmegewinne durch das Fenster - [η] [η0] Konversionsfaktor - [ΔQ] Wärmemenge Ws, J [θl] Projektion des Einstrahlwinkels in longitudinaler Richtung - [θt] Projektion des Einstrahlwinkels in transversal Richtung - [ΨE] Wärmeverlust pro laufendem Meter Umfang am Fensterrand(durch Einbau verursacht) W/(K m) [Ψg] Wärmeverlust pro laufendem Meter Umfang am Glasrand W/(K m) Colin Cianelli Version 1.3 WICHTIG: Wo nicht anderst vermerkt gelten SI-Einheiten 8