Dynamische Prüfung von Sonnenkollektoren unter besonderer Berücksichtigung der Einfallswinkelkorrektur und der Reduzierung der Prüfdauer

Solarthermische Anlagen gewinnen immer mehr an Verbreitung. Zu Beginn des letzen Jahrzehnts waren fast ausschließlich nur Solaranlagen zur Schwimmbadbeheizung oder zur Trinkwassererwärmung am Markt eingeführt. Heute umfassen die Systemvarianten zusätzlich auch Solaranlagen zur solarunterstützten Raumheizung, solarunterstützte Kälteerzeugung, Prozesswärme und solarthermische Kraftwerke. Unabhängig davon, welchen Einsatzzweck die Solaranlage erfüllt, immer wandelt der Kollektor die Sonneneinstrahlung in Wärme um und ist somit als Wärmeerzeuger die wichtigste Komponente innerhalb der Solaranlage.

Die Vielzahl der Anwendungsgebiete bedingt ebenfalls eine Vielzahl von unterschiedlichen Kollektorkonzepten. So unterscheiden sich z.B. Flachkollektoren, Vakuumröhrenkollektoren (direkt durchströmt oder mit Wärmerohr), CPC-Kollektoren (Compound Parabolic Concentrator), Parabolrinnenkollektoren, Fresnelkollektoren u.a. nicht nur erheblich in Geometrie und Funktionsweise sondern auch in ihrer Leistungsfähigkeit, insbesondere wenn ihr thermisches Verhalten unter schrägem Direktstrahlungseinfall und Diffusstrahlungseinfall betrachtet wird.

Für die Optimierung von Solaranlagen und die Prüfung von Sonnenkollektoren ist es erforderlich, die thermische Leistungsfähigkeit der Sonnenkollektoren mathematisch beschreiben zu können. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit der mathematischen Modellierung und der experimentellen Prüfung von Sonnenkollektoren. Hierfür wird, auf der Grundlage bestehender Verfahren, ein Rechenmodell und ein neues Verfahren zur thermischen Prüfung von Sonnenkollektoren vorgestellt. Mit dem Rechenmodell kann das thermische Verhalten aller gängigen Kollektoren beschrieben werden. Das Rechenmodell und das Prüfverfahren sind unter besonderer Berücksichtigung der Einfallskorrektur und der Reduzierung der Prüfdauer entwickelt worden.

Als Grundlage für die allgemeingültige Modellierung und das Prüfverfahren werden im ersten Teil der Arbeit die zur Charakterisierung der thermischen Leistung von Sonnenkollektoren erforderlichen Kennwerte beschrieben und diskutiert. Es wird aufgezeigt, dass einige, bislang zur Charakterisierung der thermischen Leistung verwendeten Einflussfaktoren, vernachlässigt werden können. Die unter einem schrägen Einfallswinkel einfallende Direktstrahlung sowie die Diffusstrahlung wirken sich, je nach Kollektortyp, unterschiedlich auf die thermische Leistungsfähigkeit der Sonnenkollektoren aus. Diesem Umstand wurde durch eine neue, allgemeingültige Modellierung des Einfallwinkelkorrekturvermögens Rechnung getragen.

Im zweiten Teil der Arbeit wird ein modellgestütztes Prüfverfahren für Sonnenkollektoren vorgestellt. Mit diesem Prüfverfahren, in Kombination mit dem im ersten Teil vorgestellten Rechenmodell ist die detaillierte Beschreibung des thermischen Verhaltens von Sonnenkollektoren möglich. Das Verfahren wird exemplarisch auf einen Flachkollektor, einen Vakuumröhrenkollektor, einen CPC-Kollektor und einen Parabolrinnenkollektor angewandt. Durch wiederholte Prüfungen an demselben Kollektor sowie einer detaillierten Unsicherheitsanalyse wurde gezeigt, dass das Prüfverfahren zu belastbaren Ergebnissen führt.

Im dritten Teil der Arbeit wird ein weiteres Rechenmodell vorgestellt. Dieses berücksichtigt den Wärmetransport zwischen Absorber und Kollektorfluid. Basierend auf diesem Rechenmodell wird ein Prüf- und Auswerteverfahren eingeführt, welches es erlaubt auch Messdaten zu verwenden bei denen der Wärmestrom vom Absorber zum Kollektorfluid umgekehrt wird. Durch die Verwendung solcher Messdaten, wie sie z.B. während einer nächtlichen Messung des Wärmeverluststroms aufgenommen werden können, reduzieren sich die notwendigen Prüfzeiten um 30% bis 50%, ohne dass die Genauigkeit der bestimmten Kennwerte abnimmt. Das Verfahren wurde exemplarisch an je einem Flachkollektor und Vakuumröhrenkollektor angewandt.

Abschließend werden die Inhalte und Ergebnisse der Arbeit zusammengefasst und bewertet.