Solaranlagen zur Warmwasserbereitung. Thermodynamischer Solarenergiewandler. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen

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Der starke Anstieg der Preise und Tarife für Strom und Wärme, der Wunsch der Verbraucher nach erhöhter Zuverlässigkeit und Nutzung eigener autarker Energiequellen sowie das zunehmende Interesse an der Nutzung umweltfreundlicher erneuerbarer Energiequellen führen zu einer rasanten Entwicklung der heimische Markt für Solarwarmwasserbereiter (SWH) auf ihre eigene Art. Technische und wirtschaftliche Indikatoren und technologische Raffinesse sind nicht nur in den südlichen Regionen Russlands, sondern auch in der zentralen Zone und sogar in Russland am besten für eine breite kommerzielle Nutzung vorbereitet den nördlichen Regionen.

Gleichzeitig wird die Entwicklung dieses Marktes in Russland durch eine Reihe von Faktoren behindert, darunter die hohen Kosten der IEDs sowie ihre unzureichende Zuverlässigkeit und Haltbarkeit. Langfristige Beobachtungen der Betriebszuverlässigkeit von Solarkollektoren haben gezeigt, dass die meisten Konstruktionen nicht die in der russischen Norm festgelegte Mindestlebensdauer von 10 Jahren bieten.

Die Kosten für Solarkollektoren russischer Hersteller liegen heute zwischen 100 und 200 Dollar pro 1 m2 ihrer Wärmeempfangsfläche. Unter Berücksichtigung der Installationskosten und der erforderlichen zusätzlichen Ausrüstung und Komponenten kosten Solarwarmwasserbereitungssysteme den Verbraucher 200–500 US-Dollar/m. Ausländische Analoga der auf dem russischen Markt angebotenen IEDs erweisen sich als noch teurer.

Daher ist die Aufgabe, das Design von Solarkollektoren zu verbessern, ihre Kosten zu senken und gleichzeitig die zuverlässige Betriebsdauer zu verlängern, äußerst relevant.

Der thermodynamische Solarenergiewandler muss folgende Komponenten enthalten:

a) ein System zum Erfassen einfallender Strahlung;
b) ein Empfangssystem, das die Energie der Sonnenstrahlung in Wärme umwandelt, die an das Kühlmittel übertragen wird;
c) ein System zum Übertragen von Kühlmittel vom Empfänger zur Batterie oder zu einem oder mehreren Wärmetauschern, in denen das Arbeitsmedium erhitzt wird;
d) Wärmespeicher;
e) Wärmetauscher, die Wärme- und Kältequellen einer Wärmekraftmaschine bilden.

Systeme zum Einfangen von Sonnenstrahlung und Konstruktionen von thermischen Konvertern

Systeme zur Erfassung der Sonnenstrahlung bieten unterschiedliche Konzentrationsgrade (Abb. 3.1).

Abb.3.1. Solarenergie-Erfassungssysteme

Ein niedriger Konzentrationsgrad (ca. 100) wird durch die Verwendung reflektierender Oberflächen erreicht, die die Energie in jede Richtung des Sonnenlichteinfalls konzentrieren. Die Beobachtung der Sonne erfolgt in diesem Fall mit einem vereinfachten Steuerungssystem. Zu den Geräten dieser Art gehören parabolisch-zylindrische Reflektoren, deren Achse entweder horizontal oder senkrecht zur Bewegungsebene der Sonne verläuft. Eine solche Anlage wird nur in Abhängigkeit von der Veränderung des Sonnenstandes am Himmel im Tagesverlauf gesteuert. Die Veränderung des Sonnenstandes im Laufe des Jahres wird nicht berücksichtigt und es werden lediglich Maßnahmen ergriffen, um sicherzustellen, dass das Fokusbild nicht über die Oberfläche des Empfängers für konzentrierte Strahlung hinausragt.

Ein durchschnittlicher Konzentrationsgrad (ca. 1000) wird durch den Einsatz von fokussierenden Heliostaten erreicht, die durch zwei Rotationsfreiheitsgrade gesteuert werden. Ein solcher Heliostat kann ein Spiegel in Form eines Rotationsparaboloids sein, dessen Achse zur Sonne ausgerichtet ist.

Durch ein einziges optisches System (Flachheliostaten und Paraboloidreflektor) wird ein hoher Konzentrationsgrad erreicht. Dadurch können sehr hohe Temperaturen erreicht werden.

Konzentrierte Sonnenstrahlung wird von der Oberfläche des Receivers absorbiert und in Wärme umgewandelt. Um Wärmeverluste zu reduzieren, die mit der Strahlung eines beheizten Empfängers im thermischen Bereich des Spektrums einhergehen, ist die Oberfläche des Empfängers mit einem dünnen Film aus selektiv absorbierenden Materialien bedeckt. Dadurch können Sie die Effizienz des Systems deutlich steigern.

Konstruktionen von Wärmewandlern. Es gibt zwei mögliche schematische Darstellungen. Im ersten Fall (Abb. 3.2A) wird das Kühlmittel im Empfänger erhitzt und somit die thermische Belastung der Batterie sichergestellt. In diesem Fall wird das Arbeitsmedium durch die Batterie erwärmt, was Änderungen im Sonnenstrahlungsfluss ausgleicht. Somit übernimmt die Batterie ständig die Rolle eines Puffers und die Verbindung zwischen dem Receiver-Akkumulator-System und der Wärmekraftmaschine erfolgt über mindestens einen Wärmetauscher.

Im zweiten Schema (Abb. 3.2B) wird das Arbeitsmedium direkt im Empfänger erhitzt. Das Laden der Batterie erfolgt durch Entfernen eines Teils des beheizten Körpers und die Kommunikation mit der Wärmekraftmaschine erfolgt ohne Zwischengeräte.

Im ersten Schema kommt es im Vergleich zum zweiten im Durchschnitt zu einer stärkeren Abnahme des Temperaturdrucks, d.h. der Temperaturunterschied zwischen der Heizung und dem Kühler einer Wärmekraftmaschine. Im zweiten Schema geht Wärme nur bei der Speicherung und Rückführung verloren. Im ersten Fall unterliegen die Wärmekraftmaschine und ihre Hilfsgeräte jedoch auch ohne Steuerung keinen zufälligen Temperaturschwankungen. Darüber hinaus übernimmt in vielen Fällen das Kühlmittel selbst die Rolle eines Wärmespeichers.

Abb.3.2. Schema der thermodynamischen Umwandlung von Sonnenenergie: A - Diagramm mit einem Wärmetauscher; B - Diagramm ohne Wärmetauscher

Wärmespeicher

Derzeit erfolgt die Energiespeicherung durch Wärmespeicherung.

Der Wärmespeicher ist ein teures Element. Basierend auf der Systemtemperatur wird die Energiespeicherung typischerweise in Niedertemperatur (bis zu 100 °C), Mitteltemperatur (100 bis 550 °C) und Hochtemperatur (>550 °C) eingeteilt.

Niedertemperaturbatterien, insbesondere Wasserbatterien, werden in der Solartechnik häufig zur Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung eingesetzt. Zur Akkumulation bei niedrigen Temperaturen werden auch reversible Hydratations- und Solvatisierungsreaktionen von Salzen und Säuren sowie Phasenübergangsprozesse genutzt. Als wärmespeichernde Stoffe werden hierfür Paraffine und Emulsionen aus Paraffin und Wasser eingesetzt. Die latente Schmelzwärme von Paraffin beträgt etwa 44 cal/g und der Schmelzpunkt liegt bei 35–50 °C.

In Schweden wird ein neuartiges thermochemisches Speichersystem namens Tepidus entwickelt. Diese Anlage nutzt den Prozess der Freisetzung von Wärme aus der Hydratation von Natriumsulfid.

Zur Speicherung bei mittlerer Temperatur sowie als Kühlmittel werden Salze und deren Eutektika verwendet, die sich durch einen Schmelzpunkt von mehreren hundert Grad und eine große latente Phasenübergangswärme auszeichnen.

Für die Anreicherung bei mittleren Temperaturen sind Erdalkalioxidhydrate sehr vielversprechend. Der Einsatz von Akkumulierungsprozessen für Oxidhydratationsreaktionen hat eine Reihe von Vorteilen. Dies sind eine hohe Dichte der gespeicherten Energie, eine einfache langfristige Akkumulation bei Umgebungstemperatur, die Kompaktheit einer festen energiespeichernden Substanz, niedrige Kosten und die Erzeugung von Wärme mit ausreichend hohem Potenzial in der Hydratationsphase.

Die Hochtemperaturakkumulation erfolgt durch reversible exoendotherme Reaktionen. Dabei lassen sich Reaktionen in zwei Gruppen einteilen: katalytische Zersetzungsreaktionen, deren Produkte nicht getrennt und gemeinsam gespeichert werden können, und ohne Katalysatoren ablaufende Reaktionen, deren Produkte zur Verhinderung bei der Temperatur des Solarreceivers getrennt werden müssen eine umgekehrte Reaktion.

Die Wahl der Art des thermodynamischen Kreislaufs und der Art des Arbeitsmediums wird durch den Betriebstemperaturbereich der Wärmekraftmaschine bestimmt, d.h. die Eigenschaften des Konzentrationssystems, der Batterie und die Kreislaufparameter hängen eng zusammen. In konzentrierten Solaranlagen werden Dampf-Wasser-Kreisläufe bevorzugt.

Autor: Magomedov A.M.

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