Thermische Solaranlagen

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1 Akademische Abhandlungen zu den Ingenieurwissenschaften Thermische Solaranlagen Nikolai Khartchenko Berlin

2 VII Inhaltsverzeichnis SYMBOLVERZEICHNIS XV KAPITEL SONNENSTRAHLUNG Extraterrestrische Strahlung Sonnenenergieangebot auf der Erdoberfläche Lage eines Ortes auf der Erde bezüglich der Sonnenstrahlung Einfallswinkel der Direktstrahlung auf eine Kollektorfläche Einfallswinkel der Direktstrahlung auf horizontale bzw. vertikale Flächen Einfallswinkel der Direktstrahlung auf geneigte Flächen Einfallswinkel der Direktstrahlung auf nachgefühlte Flächen Gesamtstrahlung auf geneigte Kollektorflächen Stündliche Einstrahlung auf geneigte Flächen südlicher Ausrichtung Stundenwinkel des Sonnenuntergangs und Tageslänge Tägliche Gesamtstrahlung auf eine geneigte Fläche Stündliche Global- und Dimisstrahlung auf Basis von Tageswerten 18 Tabellen 23 KAPITEL WÄRME- UND STRÖMUNGSTECHNISCHE GRUNDLAGEN DER SOLARTECHNIK Thermodynamik in Anwendung an thermische Solaranlagen Erster Hauptsatz der Thermodynamik Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik und exergetische Effizienz Thermodynamik der Energieumwandlung in Kraftwerken Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk (GuD-Kraftwerk) Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Stirling-Kreisprozess Wärmeübertragung in Anwendung an thermische Solaranlagen Wärmeleitung Differenzenverfahren zur numerischen Lösung der Wärmeleitungsgleichung 46

3 VIII Inhaltsverzeichnis Wärmeübertragung durch Konvektion Wärmedurchgang Wärmetauscher Wärmestrahlung Strahlungsaustausch zwischen grauen Körpern Wärmeübertragung durch Konvektion und Strahlung Strömungstechnische Grundlagen Bernoulli-Gleichung und Kontinuitätsgleichung Druckverlust durch Reibung und Einzelwiderstände Antriebsleistung für eine Umwälzpumpe 62 KAPITEL NIEDERTEMPERATUR-SOLARKOLLEKTOREN Arten von Solarkollektoren Flachkollektoren Vakuumröhren-Kollektoren Optische Eigenschaften von Solarkollektoren Reflexions-, Transmissions- und Absorptionsgrad der Kollektorabdeckung Absorbierte Sonnenstrahlung und optischer Wirkungsgrad eines Solarkollektors Selektive Absorptionsbeschichtungen für Solarkollektoren Thermische Prozesse in Niedertemperatur-Kollektoren Absorbierte Strahlung und Wärmeverluste des Kollektors Gesamtwärmedurchgangskoeffizient des Kollektors Austrittstemperatur des Kollektor-Wärmeträgers Leistungsfähigkeit von Solarkollektoren Nutzwärmeleistungeines Flachkollektors Wirkungsgrad und Kennlinie eines Kollektors Kollektorauswahl für Niedertemperaturanwendungen Energieertrag eines Kollektorfeldes Langzeit-Leistungsfähigkeit von Solarkollektoren Prüfung von Solarkollektoren 118 Tabellen 123 KAPITEL KONZENTRIERENDE SOLARKOLLEKTOREN 127

4 Inhaltsverzeichnis IX 4.1 Konzentrationsverhältnis, Absorbertemperatur und optischer Wirkungsgrad eines Kollektors Nutzwärmeleistung und Wirkungsgrad eines konzentrierenden Kollektors Auslegung eines Parabolrinnen-Konzentrators Parabol-Trogkonzentrator (CPC) Langzeit-Leistungsfähigkeit von konzentrierenden Kollektoren 142 Tabellen 145 KAPITEL ENERGIESPEICHER Arten von Energiespeichern und ihre Bewertungsgrößen Wärmespeicher für Niedertemperatur-Solaranlagen Wasserwärmespeicher- Physikalische Grundlagen Feststoff-Wärmespeicher - physikalische Grundlagen Latentwärmespeicher - Kenngrößen, Speichermedien, Wärmeübertragung Mittel- und Hochtemperatur-Wärmespeicher Thermochemische Energiespeicher 176 Tabellen 179 KAPITEL WIRTSCHAFTLICHKEITSANALYSE VON SOLARANLAGEN Jahreskosten für eine Solaranlage Wirtschaftliche Bewertungskriterien für Solaranlagen Optimierung von Kollektor- und Speichergröße 190 KAPITEL SOLARANLAGEN ZUR TRINKWASSER- UND SCHWIMMBADERWÄRMUNG Schwerkraft-Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung Warmwasserbereitungsanlagen mit integrierten Speicher-Kollektoren 200

5 X Inhaltsverzeichnis 7.3 Zwangsumlauf-Solaranlagen zur Warmwasserbereitung Energieertrag einer Solaranlage zur Wassererwärmung und Zusatzenergiebedarf Langzeit-Leistungsfähigkeit der Einkreis- Warmwasserbereitungs-Solaranlage Nutzung der Sonnenenergie zur Schwimmbaderwärmung Solare Erwärmung von Freibädern Energiebilanz, Wärmeverluste und Heizwärmebedarf für Schwimmbäder Auslegung von Solarkollektoren zur Schwimmbaderwärmung 223 Tabellen 229 KAPITEL SOLARE HEIZUNGSSYSTEME Energieverbrauch in Solar-, Niedrigenergie- und Passivhäusern Primärenergie- und Heizwärmebedarf des Gebäudes Energieeinsparungsverordnung und Energiekennwerte der Gebäude Solarhaus, Niedrigenergiehaus und Passivhaus Aktive Solarsysteme zur Unterstützung der Raumheizung Passive Solarenergiesysteme Voraussetzungen zur passiven Sonnenenergienutzung Arten von passiven Solarheizungssystemen Energiegewinn eines passiven Solarheizungssystems Solare Kombianlagen zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung Heizungsanlagen auf Basis von Solarkollektoren und Wärmepumpen 252 Tabellen 256 KAPITEL SOLARE NAHWÄRMEVERSORGUNGSSYSTEME Konzepte und Aufbau solar unterstützter Nahwärmesysteme Komponenten solar unterstützter Nahwärmesysteme Solarkollektoren für solar unterstützte Nahwärmesysteme Wärmespeicher für solar unterstützte Nahwärmesysteme Solar- und Wärmeverteilnetze, Heizzentrale und Wärmeübergabestationen Solare Nahwärmesysteme der er Solar unterstützte Nahwärmesysteme der neuen Generation 273

6 Inhaltsverzeichnis XI 9.5 Leistungsfähigkeit solar unterstützter Nahwärmesysteme mit Langzeit-Wärmespeichern Berechnung der Wärmeverluste der Langzeit-Wärmespeicher Auslegung der SUNS-Systeme mit Langzeit-Wärmespeichern Grundsätze der Planung und Auslegung von SUNS-Systemen Jahresenergieertrag des Kollektorfeldes eines SUNS-Systems Auslegung der Kollektorfläche eines SUNS-Systems mit Langzeit-Wärmespeicher Auslegung von Langzeit-Wärmespeichern für solar unterstützte Nahwärmesysteme Wirtschaftlichkeit von solar unterstützten Nahwärmesystemen mit Langzeit- Wärmespeichern 286 Tabellen 288 KAPITEL SOLARE KÄLTEERZEUGUNG UND KÜHLUNG Arten von solaren Kälte- und Klimaanlagen Solare Kompressions-Kälteanlagen Solare Absorptions-Kälteanlagen Absorptionskältemaschine: Arbeitsprinzip, Aufbau und Arbeitsstoffpaare Thermodynamische Analyse einer Absorptionskältemaschine Zweistufige Absorptionskältemaschinen Solare Absorptions-Klimaanlagen mit offenem Kreislauf Periodisch betriebene solare Absorptionskälteanlagen Vergleich von solaren Kompressions- und Absorptionskälteanlagen Auslegung der solaren Absorptions-Kälteanlagen Solare Adsorptionsklimaanlagen Passive solare Kühlung von Gebäuden Kühllast des Gebäudes für solare Klimaanlagen 317 Tabellen 321 KAPITEL AUSLEGUNG VON SOLARANLAGEN ZUR BRAUCHWASSER ERWÄRMUNG UND HEIZUNGSUNTERSTÜTZUNG f-chart-verfahren für Niedertemperatur-Solaranlagen Vorgehensweise bei der Auslegung der Solaranlagen nach dem f-chart-verfahren 332

7 XII Inhaltsverzeichnis 11.3 Rechnerunterstützte Auslegung und Optimierung der Solaranlagen Berechnung von Solaranlagen zur Prozesswärmeversorgung Auslegung der Wärmespeicher für Solaranlagen Auslegung der Wärmetauscher für Solaranlagen Strömungstechnische Berechnungen von Solaranlagen Druckverlust durch Rohrreibung und Einzelwiderstände in Solaranlagen Auslegung der Umwälzpumpe für den Kollektorkreislauf einer Solaranlage Auslegung eines Ausdehnungsgefäßes Zusatzheizung, Regel- und Steuerungseinrichtungen 364 Tabellen 366 KAPITEL BERECHNUNG UND AUSLEGUNG VON PASSIVEN SOLARHEIZSYSTEMEN Empirische Berechnungsverfahren für passive Solarsysteme SLR-Verfahren Berechnung des monatlichen Zusatzenergiebedarfs eines Gebäudes mit passivem Solarheizsystem Überschlägige Auslegung von passiven Solarheizsystemen 385 Tabellen 387 KAPITEL SOLARTHERMISCHE KRAFTWERKE Arten der Solarkraftwerke Kennwerte der solarthermischen Kraftwerke Solarfarm-Kraftwerke Aufbau und Komponenten eines Solarfarm-Kraftwerks Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrad eines Solarfarm-Kraftwerks Innovative Konzepte der Solarfarm-Kraftwerke Zentralreceiver- bzw. Solarturm-Kraftwerke Allgemeine technische Daten der Solarturm-Kraftwerke Komponenten eines Solarturm-Kraftwerks Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrad eines Solarturm-Kraftwerks 407

8 Inhaltsverzeichnis XIII 13.5 Dish/Stirlingmotor-Solarkraftanlagen Wärmespeicher für solarthermische Kraftwerke Solar-GuD-Hybrid-Kraftwerkskonzepte Aufwind-, Ozeanwärme- und Solarteich-Kraftanlagen Direkt-Umwandlung der Sonnenstrahlung in elektrische Energie Photovoltaische Stromerzeugung Thermoelektrische Stromerzeugung 423 Tabellen 424 KAPITEL THERMISCHE SOLARANLAGEN FÜR SÜDLICHE REGIONEN Solare Trocknungsanlagen Meer- und Brackwasserentsalzung mit Sonnenenergie Kochen mit Sonnenenergie Wasserpumpen mit solarthermischem Antrieb 444 TABELLENANHANG 447 LITERATURVERZEICHNIS 483 STICHWORTVERZEICHNIS 489