Hochschule Düsseldorf University of Applied Sciences. 05. Januar 2016 HSD. Solarenergie. Solarthermie im Hausbetrieb

Transkript

1 Solarenergie Solarthermie im Hausbetrieb

2 Stenbråtlia in der Nähe von Oslo innovationen-unter-skandinavischer-sonne

3 Zertifikate des Wirkungsgrads

4 Energiebedarf und -Verfügbarkeit

5 Energieverbrauch in Privathaushalten 700 Raumwärme Warmwasser Kochen, Trocknen, Bügeln Haushaltsgeräte Beleuchtung Energieverbrauch (Mrd. kwh) Quelle: Destatis

6 Primärenergiebedarf Endenergiebedarf ist die in einem Haus im Jahr verbrauchte Energie. Primärenergiebedarf berücksichtigt auch die (energetischen) Energie- Entstehungskosten Beispiel: 1kWh Haushalts-Strom wird durch ca. 3kWh Wärme- Energie im Kohlekraftwerk erzeugt. Für Haushalte gibt es den Energieausweis, der den Primärenergiebedarf einordnet.

7 Primärenergiebedarf

8 Heizbedarf nach DIN 4713 Der Heizbedarf wird für Nebenkostenabrechnungen in der DIN 4713 festgelegt. Sie legt pro Monat fest welchen Anteil in Prozent ein Monat am Gesamtwärmeverbrauch des Jahres hat. Basiert auf langjährigem Mittel. Eine genauere auf das jeweilige Jahr angepasste Rechnung wird mit Gradtagzahlen durchgeführt.

9 Heizbedarf nach DIN % Monatlicher Wärmebedarf % 9.00 % 4.50 % 0.00 % Januar März Mai Juli SeptemberNovember in Prozent (nach DIN 4713)

10 Sonnenstand im Laufe des Tages und des Jahres

11 Tägliche Einstrahlung Tagesverlauf der Sonneinstrahlung bei optimalen Winkel Einstrahlung (W/m^2) :07 04:52 05:37 06:22 07:07 07:52 08:37 09:22 10:07 10:52 11:37 12:22 13:07 13:52 14:37 15:22 16:07 16:52 17:37 18:22 19:07 19:52 Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Standort Düsseldorf

12 Monatliche Einstrahlung Monatliche Sonneneinstrahlung bei optimalen Winkel Einstrahlung im Monat (kwh / m^2) Hopt 0 Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Standort Düsseldorf

13 Sonnenstrahlung Sonnenstrahlung bei optimiertem Winkel (37 ) Quelle: Durchschnittliche Einstrahlung pro Jahr

14 Gradtagzahl Zwei Grenzen: Raumtemperatur: 20 C Heizgrenze: 15 C Wenn die mittlere Temperatur eines Tages unter der Heizgrenze (15 C) liegt wird der Tag als Heiztag gewertet. Die Gradtagzahl dieses Tages ist dann die Differenz des Mittelwertes zur Raumtemperatur (20 C). Die Gradtagzahl einer Heizperiode ist die Summe der Gradtagzahlen aller Heiztage. Damit wird für ein spezifisches Jahr der Heizbedarf der einzelnen Tage / Monate ermittelt. X G = (T R T HG ) z G : Gradtagzahl z : Anzahl Heiztage T R :Raumtemperatur ( C) T HG : Heizgrenze ( C)

15 Energiebedarf Energiebedarf in kwh Einstrahlung in kwh Nutzbare Energie in kwh Fehlbetrag in kwh Monatliche Energiebilanz Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember

16 Energiebedarf Monat Energiebedarf in kwh in Prozent (nach DIN 4713) Hopt (Wh / m^2 / day) Anzahl Tage Hopt (kwh / m^2 / month) Einstrahlung in kwh Nutzbare Energie in kwh Fehlbetrag in kwh Januar % Februar % März % April % Mai % Juni % Juli % August % September % Oktober % November % Dezember % Summe % Spezifischer Wärmebedarf 45 kwh/(m^2 a) Wohnfläche 150 m^2 Energiebedarf pro Jahr 6750 kwh Kollektorfläche 46 m^2 Effizienz kwh/m^2/a spricht 1.0 EnEV 2009 Fehlbetrag im Winter kwh 45 kwh/m^2/a cht 0.7 EnEV bzw. KfW 70 Überschuss im Sommer kwh 35 kwh/m^2/a cht 0.55 EneV bzw. KfW 55 T im Wasserspeicher 50 K Brennwert von Holz kipedia.org/wiki/brennholz Energiedichte im Wasserspeicher 58.3 kwh / m^3 Effizienz e/lexikon/wirkungsgrad-der-solarthermie/ Wasserspeicher 9.3 m^3 Solardaten uropa.eu/pvgis/apps4/pvest.php Wasserspeicher kwh Verbrauchsverlauf kipedia.org/wiki/din_4713 Wasserspeicher benötigt 15.8 m^3 Speicherfehlbetrag 6.5 m^3 Speicherfehlbetrag kwh Einheit Heizwert Buchenscheite 4 kwh / kg Eingabe Heizwert Buchenscheite 1920 kwh / Rm Berechnet Benötigtes Holz 0.2 Rm Woanders berechnet

17 Energieautarkes Haus im Winter Heizbedarf pro Monat (Dez., Jan., Feb.) Einstrahlung pro Monat (Dez., Jan., Feb.) Fehlbetrag pro Monat (Dez., Jan., Feb.) Wasserspeicher 9300 l, T = 50K 1100 kwh 750 kwh 350 kwh 543 kwh 1 Raummeter Buchenholz 2000 kwh Zahlenwerte ungefähr, Details s. Berechnungstabelle

18 Strahlungsverwertung

19 Solarthermie - Spektren Sonnenspektrum Spektrum des idealen schwarzen Strahlers Endet bei ca. 2.5µm Beginnt bei ca. 2.5µm

20 Anteil diffuser und direkter Sonnenstrahlung Diffuse / Global Ratio 0.8 Diffuse Strahlung kann nicht D/G fokussiert werden! 0.6 Aktuell in der Prüfnorm DIN EN nicht 0.4 berücksichtigt. 0.2 Sind Vakuum- Röhrenkollektoren damit zu bewerten? 0.0 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Für Standort Düsseldorf PVGIS (c) European Communities,

21 Strahlungsbilanz Transparente Materialien Elektromagnetische Strahlung (Licht, Wärmestrahlung) kann reflektiert, transmittiert oder absorbiert werden, wenn es auf einen Gegenstand trifft. Unterscheidung zwischen transparenten und opaken (=undurchlässig) Materialien. Die Oberflächenstruktur ist für die Reflexion entscheidend. Reflexion und Transmission werden durch die Fresnel schen Formeln beschrieben. Absorption wird durch das Lambert- Beer sche Gesetz beschrieben. Die Energie bleibt erhalten! Transparentes Material, glatte Oberfläche I 0 Absorption T R T e kx Reflexion Transmission z.b. Deckglas des Kollektors

22 Strahlungsbilanz Opake Materialien Elektromagnetische Strahlung (Licht, Wärmestrahlung) kann reflektiert, transmittiert oder absorbiert werden, wenn es auf einen Gegenstand trifft. Bei opaken Materialien wird die Transmission vernachlässigt. Die Strahlung wird entweder reflektiert oder absorbiert. Die Oberfläche ist oft nicht glatt, sondern diffus streuend. Reflexion ist i.a. kompliziert zu beschreiben. Es gibt einen spekularen (gerichtet) und einen diffusen Anteil. Absorption wird durch den Absorptionsgrad beschrieben. Die Energie bleibt erhalten! Opakes Material, raue Oberfläche I 0 R s R d Absorption und Umwandlung in Wärme Absorptionsgrad spekulare Reflexion diffuse Reflexion z.b. Absorber des Kollektors

23 Kirchhoff sches Strahlungsgesetz Ein Körper, der gut Strahlung absorbiert, strahlt diese auch wieder gut ab (Emission). Im thermodynamischen Gleichgewicht ist die absorbierte Energie gleich der emittierten: ( )="( ) Deswegen kann kein Körper mehr Strahlung absorbieren oder emittieren als der ideale schwarze Körper! Absorptionsgrad Emissionsgrad ( ) "( )

24 Absorptionsgrad Verhältnis zwischen eingestrahlter und absorbierter Strahlungsleistung. Zahl bzw. Kurve zwischen 0 und 1 I ( )= I abs( ) I 0 ( ) I 0 ( ) I abs ( ) ( ) 1 Wellenlängenabhängig Allgemein: Richtungsabhängig Hier: Spektraler Absorptionsgrad

25 Emissionsgrad Verhältnis zwischen abgestrahlter Leistung und der Strahlungsleistung eines schwarzen Strahlers der gleichen Temperatur. Kein Material kann mehr emittieren als ein schwarzer Körper: Zahl bzw. Kurve zwischen 0 und 1. Wellenlängenabhängig. Idealer Schwarzer Strahler E "( )= E em( ) E iss ( ) E em "( ) E iss " 1

26 Selektive Absorption Sonnenstrahlung fast ausschließlich < 2.5µm Wärmestrahlung des Kollektors bei 100 C fast ausschließlich > 2.5µm. Suche ein Material, dass gut die Sonnenstrahlung absorbiert und schlecht Wärmestrahlung emittiert.

27 Selektive Absorption Quelle:

28 Strahlungsbilanz I 0 Reflexions- und Transmissionsverluste am Deckglass. Teilweise Absorption, geringe Reflexion am Absorber. Wärmestrahlung vom Absorber. Produkt aus Gesamttransmission Deckglass und Absorption ist der optische Wirkungsgrad. Selektive Schicht auf dem Absorber reduziert Wärmestrahlung. Selektive AR-Schicht auf der Innenseite des Deckglases reflektiert Wärmestrahlung. T e kx R 1 R 2 =(1 R 1 ) e kx (1 R 2 ) Gesamttransmission Deckglass Optischer Wirkungsgrad

29 Strahlungsbilanz Die gesamte vom I 0 Absorber aufgenommene Energie entspricht: T e kx R 1 R 2 =(1 R 1 ) e kx (1 R 2 ) I 0 Gesamttransmission Deckglass Optischer Wirkungsgrad

30 Kollektoren

31 Flachkollektoren Glasfront Absorber (selektiv) Röhrensystem für Wärmeträgerflüssigkeit Rückseiten-Dämmung

32 Vakuum-Röhrenkollektoren Glasrohr mit evakuiertem Zwischenraum Absorber im Zentrum fängt Sonnenlicht auf und wird heiß Mehrere Konstruktionen die Wärme abzuführen Reduziert Konvektions- und Leitungsverluste, besonders im Winter Kann zusätzlich mit IR-reflektierenden Schichten bedampft werden Wesentlich höhere Betriebstemperaturen möglich als mit Flachkollektoren (max. 350 C)

33 Vakuum-Röhrenkollektoren Optik Sonnenstrahlen Wärmestrahlung Vakuum Wärmeträgermedium Glasröhre IR-reflektierende Beschichtung Parabol-Reflektor

34 Freie Konvektion im Solarkollektor Solarthermie-Speicher mit Eigenantrieb. Prinzip Thermosiphon Es wird keine Umwälzpumpe eingesetzt. Der Dichteunterschied zwischen warmen und kalten Wasser lässt das aufgewärmte Wasser in den Speicher steigen. Diese muss dazu oberhalb der Kollektorfläche angebracht werden.

35 Freie Konvektion im Solarkollektor Vorteil: Prinzip Thermosiphon keine Umwälzpumpe nötig. Nachteile: Speicher muss oberhalb liegen (Größe) Nicht steuerbar sondern selbstregelnd Frostanfällig

36 Wärmeverluste Wärme pro Zeit und Fläche Einfaches Modell: die Verluste J/s/m 2 = W/m 2 nehmen proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Q Verlust = k ges (T A T U ) Absorber und Umgebung zu. Die Wärmeverluste werden bei Solaranlagen spezifisch angegeben (pro Fläche). Die Konstante wird normalerweise experimentell ermittelt. Umgebungstemperatur Absorber-Temperatur

37 Nutzwärme Q Verlust Die eingestrahlte Energie wird teilweise am Deckglas reflektiert und nur teilweise absorbiert. Davon werden die Wärmeverluste abgezogen. Q N = I 0 k ges (T A T U ) Q N Nutzwärme pro Zeit J/s = W Absorption am Absorber I 0 Transmission Deckglas Sonnenstrahlung W/m 2

38 Nutzwärme I in W/m 2 Q N = I 0 k ges (T A T U ) I 0 I 0 Optische Verluste Wärmeverluste k ges Nutzwärme 0 T = T A T U in K

39 Stagnationstemperatur I in W/m 2 Q N = I 0 k ges (T A T U ) I 0 Stagnationstemperatur 0 T = T A T U * in K

40 Messung der Nutzwärme Durch den Kollektor wird der Wärmeträger (z.b. Wasser) erhitzt. Die Nutzwärme entspricht dann einfach der zugeführten Wärme. Diese kann leicht durch Messung von Eingangs- und Austrittstemperatur sowie Massenfluss bestimmt werden. So wird nach der DIN EN gemessen. T aus T ein ṁ Austrittstemperatur Q N = ṁ c p (T aus T ein ) Eingangstemperatur Massenfluss Wärmekapazität

41 Diskussion Wärmeverluste Wärmeverlust an Rück- und Seitenwand, und Glassfront. Konvektive, konduktive und strahlende Wärmeübertragung des Absorbers an den Rest. Konvektion und Konduktion sind durch Isolierung oder Vakuum gut zu begrenzen. Haupt-Verlustquelle ist Wärmestrahlung! Wärmeverluste deswegen nach Stefan-Boltzmann-Gesetz proportional zu T 4!! Deckglass verhindert Konvektion mit Umwelt Selektive AR-Schicht reflektiert Wärmestrahlung Isolierung

42 Wärmeverluste II Bei der Berechnung des Wirkungsgrads werden die Verluste etwas genauer genähert. Wichtige weitere Verluste sind Wärmestrahlung des Kollektors, die nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz mit T 4 gehen. Im Sinne einer Taylor-Reihe wird jedoch nur ein quadratischer Term hinzugefügt. Q Verlust = k 1 (T A T U ) k 2 (T A T U ) 2 Die Konstanten werden auch mal a1 und a2 genannt.

43 Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis aus eingestrahlter Energie und Nutzwärme. Der Wirkungsgrad hängt von der eingestrahlten Energie ab! Grade im Winter von Bedeutung. = Q N I 0 = 1 I 0 k 1 (T A T U )+k 2 (T A T U ) 2

44 Wirkungsgrad auf dem Markt Viessmann Vitosol 200F, Typ SV2A/B Viessmann Vitosol 200F, Typ 5DIA Viessmann Vitosol 300F, Typ SV3A Viessmann Vitosol 200T, Typ 2SPA Viessmann Vitosol 300T, Typ SP3B Wagner Solar Euro L20 AR Wagner Solar SolarRoof Pardigma Vaillant VFK 112 Solarbayer CPC18 Fläche (brutto) in m^ Individuell 3.21 Fläche Absorber in m^ Optischer Wirkungsgrad in % % % % % % % % % % % k1 in W / (m^2 K) k2 in W / (m^2 K^2) Stagnationstemperatur in C Gewicht in kg Spez. Gewicht (kg / m^2) Einstrahlung in W/m^2 230 W / m^2 T in K

45 Wirkungsgrad auf dem Markt Wirkungsgrade Solarkollektoren 1.00 I 0 = 1000 W/m Viessmann Vitosol 200F, Typ SV2A/B Viessmann Vitosol 300F, Typ SV3A Viessmann Vitosol 300T, Typ SP3B Wagner Solar Euro L20 AR Pardigma Solarbayer CPC18 T in K

46 Wirkungsgrad auf dem Markt Wirkungsgrade Solarkollektoren 1.00 I 0 = 230 W/m Viessmann Vitosol 200F, Typ SV2A/B Viessmann Vitosol 300F, Typ SV3A Viessmann Vitosol 300T, Typ SP3B Wagner Solar Euro L20 AR Pardigma Solarbayer CPC18 T in K

47 Wirkungsgrad auf dem Markt Flachkollektor Röhrenkollektor I_0 = 100 W/m^2 I_0 = 200 W/m^2 I_0 = 400 W/m^2 I_0 = 600 W/m^2 I_0 = 800 W/m^2 I_0 = 1000 W/m^ I_0 = 100 W/m^2 I_0 = 200 W/m^2 I_0 = 400 W/m^2 I_0 = 600 W/m^2 I_0 = 800 W/m^2 I_0 = 1000 W/m^2 Wirkungsgrad 0.50 Wirkungsgrad T in K T in K

48 Zielsetzung für Heute