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Entwicklung von hocheffizienten und kostenoptimierten Mitteltemperaturkollektoren für solarthermische Großanlagen

von Martin Vukits, Robert Hausner und Christian Fink

Für den Markt solarthermischer Anlagen besteht erhebliches Erweiterungspotenzial in den Bereichen Wärmenetze, industrielle Prozesse und gewerbliche Anwendungen. Da es sich bei diesen Anwendungen zumeist um große Kollektorfelder und Systemtemperaturen über 80°C handelt, werden dazu entsprechend kostengünstige Kollektoren mit hoher Effizienz im Temperaturbereich bis 120°C benötigt, die zudem eine geringe Gewichtsbelastung auf bestehende Hallendachkonstruktionen aufbringen.

Im Rahmen des Projektes „MidTempColl – Entwicklung von hocheffizienten kostenoptimierten Mitteltemperaturkollektoren für solarthermische Großanlagen“ wurde die Neuentwicklung eines kostengünstigen, direkt durchströmten Vakuumröhrenkollektors speziell für die Anwendung im Temperaturbereich von 80 bis 120°C in großen solarthermischen Anlagen vorangetrieben. Der Kollektor ist aus doppelwandigen Sydneyröhren ohne Reflektor aufgebaut und wird mittels U-Rohren direkt durchströmt. Außerdem wurde ein effizientes Befestigungssystems mit reduzierten Gewichtslasten entwickelt. Die Arbeiten befassten sich mit der Optimierung der Vakuumröhren in Hinblick auf den Kollektorwirkungsgradfaktor ebenso wie mit der Optimierung des Röhrenabstands der Module und der hydraulisch optimierten Modul- und Feldverrohrung. Die Kollektormodule erreichten Gestehungskosten von unter 75 €/m² Bruttokollektorfläche.

Vakuumröhre

Um die absorbierte Solarwärme von der Absorberschicht an das Wärmeträgermedium übertragen zu können, ist bei Sydneyröhren ein Wärmeleitblech erforderlich. Bei einwandigen Vakuumröhren dient der Streifenabsorber gleichzeitig als Wärmeleitblech. Es gibt eine Vielzahl an möglichen Wärmeleitblechgeometrien (Abbildung 1). Diese Varianten wurden unter definierten Rahmenbedingungen hinsichtlich des Kollektorwirkungsgradfaktors (F‘) bewertet. Um die wärmetechnischen Vorgänge innerhalb einer Vakuumröhre analysieren zu können, wurde ein eigens für Vakuumröhrenkollektoren anwendbares Berechnungsmodell auf Basis der Finite-Differenzen-Methode entwickelt.

Es wurde die Auswirkung diverser Parameter wie z.B. der Emissionskoeffizient des Absorbers, die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitbleches oder der Durchfluss des Wärmeträgermediums, etc. variiert. Je nach Ausführung der Vakuumröhre und der gewählten Parameter konnten F‘-Faktoren im Bereich von 95% bis 99% erreicht werden (Tabelle 1).

Tabelle 1: Auszug der Paramtervariation und Berechnungsergebnisse (F')

Vakuumröhren sind auf Grund der sehr guten Dämmeigenschaft des Vakuums relativ tolerant gegenüber Materialreduktion (Wandstärke des Wärmeleitblechs) und Fertigungstoleranz (Luftspalt zwischen innerer Glasröhre und Wärmeleitblech). Eine Reduktion der Dimension des Absorberrohres von 8x0,5 mm auf 6x0,5 mm zeigte keine negative Auswirkung auf den F‘-Faktor. Die Vakuumröhre „Typ C“ mit einem Wärmeleitblech aus Aluminium zeigte hinsichtlich F‘ Vorteile und wurde daher für die weiteren Optimierungen (Kollektormodul und -feld) herangezogen und in weiterer Folge als Testmuster gebaut.

Abbildung 1: Aufbau der modellierten und hinsichtlich Kollektorwirkungsgradfaktor F‘ optimierten Vakuumröhren des Typs Sydneyröhre - absorbierende selektive Schicht auf der Außenseite des inneren Rohres. Typ A: mit Koaxialrohr, Typ B: mit vertikalem U-Rohr, Typ C: mit horizontalem U-Rohr. (Quelle: Sunlumo)

Kollektormodul

Nach der Optimierung der Vakuumröhre wurde der Fokus auf ein Kollektormodul gelegt und der Einfluss des Röhrenabstandes auf die Kollektorleistung analysiert. Die dazu betrachteten Kennwerte waren zum einen der richtungsabhängige Einstrahlungswinkel-Korrekturfaktor (IAM – Incidence Angle Modifier) und zum anderen die Nutzleistung je Kollektormodul.

Basis der Berechnungen war ein Kollektormodul konstanter Breite ohne Reflektor, und Sydneyröhren mit horizontalem U-Rohr (Typ C in Abbildung 1) mit einem Außendurchmesser von 58 mm und einer Länge von 1 m. Die Variation der Röhrenanzahl betrug 37, 28 und 22 Röhren. Die drei verschiedenen Rohrachsabstände waren 60, 80 und 100 mm. Die Berechnungen wurden bei 100°C Mediums- und 20°C Umgebungstemperatur durchgeführt.

In Abbildung 2 sind links die transversalen IAM-Verläufe bei unterschiedlichen Rohrachsabständen dargestellt. Es ist zu erkennen, dass bis zu einem Einfallswinkel von 30° die richtungsabhängigen Einstrahlungswinkel-Korrekturfaktoren für alle drei Rohrachsabstände gleich hoch sind. Ab 30° sinkt aufgrund beginnender Verschattung durch das Nachbarrohr der IAM des Kollektormoduls mit einem Röhrenabstand von 60 mm, wohingegen der IAM des Moduls mit einem Röhrenabstand von 80 mm erst ab 50° zu sinken beginnt; bei 100 mm Röhrenabstand beginnt die Abnahme des IAM erst bei 60° Einfallswinkel.

Abbildung 2: Einstrahlungswinkel-Korrekturfaktor (IAM) bei verschiedenen Röhrenabständen (links) sowie Kollektorleistung in Abhängigkeit des Röhrenabstandes, auf 1 m Röhrenlänge bezogen (rechts). (Kollektormitteltemperatur 100°C, Direktstrahlung 800W/m², Außendurchmesser der Vakuumröhre 58 mm) (Quelle: AEE INTEC)

Bei Betrachtung der relevanten Modulleistung ergibt sich ein konträres Bild. In Abbildung 2 rechts sind für einen gemessenen Verlauf der direkten Strahlung (Graz, 11.4.2014) die direkte Einstrahlung sowie die Nutzleistungen je Kollektormodul für 60, 80 und 100 mm Rohrachsabstand über den Winkelverlauf von 0° bis 90° dargestellt. Bis etwa 50° Einfallswinkel steigt die Nutzleistung mit abnehmendem Röhrenabstand, darüber ist der Verlauf der Nutzleistung der drei verschiedenen Kollektormodule annähernd gleich.

Wird die Fläche unter den Kurven der Nutzleistung über einen Tagesverlauf integriert, so ergibt sich die Tagesarbeit der Kollektormodule (bezogen auf die Bruttokollektorfläche …BKF):

  • 37 Röhren mit 60 mm Abstand: 2,12 kWh/m²BKF
  • 28 Röhren mit 80 mm Abstand: 1,74 kWh/m²BKF
  • 22 Röhren mit 100 mm Abstand: 1,44 kWh/m²BKF

Kollektorfeld

In der nächsten Entwicklungsebene wurde die hydraulische Interaktion zwischen den Kollektormodulen und der Verschaltung in einem Kollektorfeld betrachtet. Dazu wurden zunächst die Kollektor- und Kollektorfeld-Hydrauliken von ausgewählten Kollektorkonzepten mittels eines thermisch-hydraulisch gekoppelten Berechnungsverfahrens modelliert und hinsichtlich Materialeinsatz (Gestehungskosten) optimiert. Als Basis dient ein Kollektormodul mit insgesamt 30 Sydneyröhren mit einer Länge von 1,8 m und einem Außendurchmesser von 58 mm, welche in unterschiedlichen Varianten hydraulisch durchströmt werden:

  • 30s: Alle 30 Röhren des Moduls sind in Serie geschalten, kein klassischer Sammler bzw. Verteiler notwendig.
  • 30p/30popt: Jede der 30 Röhren des Moduls ist separat an einem Sammler/Verteiler hydraulisch parallel geschalten.
  • 15x2: 2 Röhren sind in Serie und diese dann 15x parallel zueinander an Sammler/ Verteiler angeschlossen.

Diese Kollektormodule wurden zu Kollektorfeldern mit jeweils 300 bzw. 4.800 m²BKF verschalten. Ziel war es, die Kollektorfeldverrohrung gänzlich ohne Regulierventile zu gestalten und partielle Stagnation im Kollektorfeld durch optimale Durchflussverhältnisse zu vermeiden. Das maximal zulässige Durchflussverhältnis wurde mit 2 begrenzt, um den Kollektorwirkungsgrad nicht zu beeinflussen. Eine Begrenzung der Strömungsgeschwindigkeit mit 2 m/s beugt Erosion in den Rohrleitungen vor.

Bei allen gerechneten Varianten liegt der Fokus auf einer Minimierung der Gesamtmetallmasse, um die Gestehungskosten möglichst gering zu halten. Der Druckverlust des Kollektorfeldes wurde – höher als üblicherweise – mit 7 bar limitiert, was sich positiv auf die maximal mögliche Anzahl an in Serie verschaltbarer Kollektormodule auswirkt. Dieser Grenzwert mag vielleicht als relativ hoch empfunden werden, Anwendungsbeispiele aus Dänemark und Österreich zeigen jedoch, dass solch hohe Druckverluste hinsichtlich Pumpenauslegung und Stagnationstemperaturreserven beherrschbar sind.

In Tabelle 2 sind ausgewählte Ergebnisse der thermisch-hydraulisch gekoppelten Berechnungen eines 300 m² Kollektorfeldes dargestellt.

Tabelle 2: Konfiguration der berechneten Kollektorkonzepte – 300 m² Kollektorfeld bei einem spezifischen Kollektordurchfluss von 15 kg/(m²h)

Für diese im Projekt entwickelten Vakuumröhrenkollektormodule (Tabelle 2) konnten je nach Konzept mit Aluminium als Werkstoff für die Kollektorverrohrung zwischen 46 und 58 €/m²BKF Bruttokollektorfläche und mit Kupfer als Werkstoff zwischen 59 und 67 €/m²BKF als Gestehungskosten in einer Großserie (Material und Arbeitszeit, ohne Gemeinkosten) berechnet werden.

Für die Integration der Kollektormodule in ein Kollektorfeld ist neben der Feldverrohrung (inkl. Wärmedämmung) eine Unterkonstruktion bzw. Aufständerung inklusive Ballast notwendig, wobei ein deutlicher Kostenunterschied zwischen einer 45°-Aufständerung und einer horizontalen 0°-Montage besteht. Dieser Kostenunterschied beträgt unter den getätigten Annahmen 37%. Werden schließlich die Gestehungskosten eines Kollektorfeldes berechnet, so ergeben sich je nach Kollektorkonzept, -material und Aufstellungswinkel Gesamtgestehungskosten von 96 bis 165 €/m²BKF.

Befestigungssysteme und Unterkonstruktionen

Die Kosten für die Montage großer Kollektorflächen sind ein zentraler Aspekt bei der Errichtung von Solaranlagen. Bisher entstanden bei Kollektorfeldern mit geneigten Kollektoren bis zu 100% Mehrkosten durch statisch notwendige Verstärkungen bei bestehenden Hallendächern. Statische Berechnungen an beispielhaften Flachdachkonstruktionen zeigen, dass insbesondere die flache, horizontale Auflage von Vakuumröhrenkollektoren (ohne Reflektor) gegenüber einem mit 45° geneigten Flachkollektor eine signifikante Reduktion des notwendigen Ballasts von bis zu 50% ermöglicht. Hauptgrund dafür sind deutlich reduzierte Windlasten und eine geringere Schneesackbildung. Damit ist es bei bestehenden Hallendächern möglich, Projekte umzusetzen, die bisher auf Grund statischer Unzulänglichkeiten nicht realisiert werden konnten.

Als Ergebnis aus den statischen Untersuchungen wurde ein Baukasten-Montagesystem zur Kollektormontage mit 0°-Neigung auf Flachdächern konzipiert (Abbildung 3). Damit steht ein effizientes und kostengünstiges Montagesystem für solarthermische Großanlagen auf Flach- und Industriehallendächern zur Verfügung.

Abbildung 3: Montagesystem zur Kollektormontage auf Flachdächern (links) und Standfuß (rechts) (Quelle: Sunlumo)

Wärmegestehungskosten

Um eine aussagekräftige Bewertung der einzelnen Vakuumröhrenkollektorkonzepte hinsichtlich ihres Kosten-Nutzen-Verhältnisses durchführen zu können, wurden einzelne Konzepte im Rahmen von dynamischen Jahressimulationen in diverse Systeme integriert. Für die Systemsimulationen wurden ein Biomasse-Nahwärmenetz (300 m²BKF) und ein städtisches Fernwärmenetz (4.800 m²BKF) sowie industrielle Prozesse bei unterschiedlichen Prozesstemperaturen definiert.

Die Wärmegestehungskosten sind definiert als das Verhältnis der ihm Rahmen der Systemsimulationen ermittelten Solarerträge und der Kollektorfeldkosten. Die Gesamtkostenermittlung erfolgte auf Basis der hydraulisch optimierten Kollektorfelder plus Pumpenstrom und wurde nach VDI 2067 für einen Zeitrahmen von 20 Jahren berechnet. Nicht berücksichtigt sind Gemeinkosten und Gewinne sowie etwaige notwendige statische Hallenverstärkungen.

In Abbildung 4 sind die Wärmegestehungskosten auf Basis der simulierten Solarerträge und der Gestehungskosten der optimierten Kollektorfelder zusammengefasst. Unter den gewählten Rahmenbedingungen zeigte sich, dass z.B. bei den Wärmenetzen Wärmegestehungskosten zwischen 1,9 und 3,1 Cent/kWh erreicht werden können.

Bei den industriellen Prozessen mit solaren Deckungsgraden zwischen 15 und 74% konnten je nach Temperaturniveau und Kollektortyp Wärmegestehungskosten zwischen 2,6 und 7,5 Cent/kWh erreicht werden.

Generell ergibt sich ein gewisser Kostenvorteil bei Kollektoren mit Aluminium als Werkstoff der Absorber-, Verteiler- und Sammlerrohre. Das Kollektorkonzept „30p-opt/0°/Al“ erreicht in der Anwendung Nahwärmenetz 2,3 Cent/kWh, dasselbe Kollektorkonzept mit Kupfer als Werkstoff (30p-opt/0°) jedoch 2,6 Cent/kWh.

Vergleicht man Kollektoren mit und ohne Reflektor so liegen Kollektoren mit Reflektor durchwegs im unteren Kostenbereich. Es zeigt sich hier, dass bei steigenden Prozesstemperaturen ein Preisvorteil für einen Vakuumröhrenkollektor mit Reflektor besteht. So ist z.B. bei einer Vorwärmung von Speisewasser auf ein Temperaturniveau von 60°C der Kollektor „30p-opt/0°/Al“ mit 2,6 Cent/kWh gegenüber dem Kollektor „15x2 mit Reflektor/45°“ mit 3,3 Cent/kWh im Vorteil. Bei einer Vorwärmung auf 105°C betragen die Wärmegestehungskosten des Kollektors mit Reflektor 4,5 Cent/kWh, wohingegen sie für den „30p-opt/0°/Al“-Kollektor 5,1 Cent/kWh betragen.

Abbildung 4: Wärmegestehungskosten und solare Deckungsgrade ausgewählter Vakuumröhrenkollektorkonzepte. Wenn nicht anders angegeben, bestehen die Kollektoren aus Kupfer, Al steht für Aluminium als Kollektorwerkstoff. Die Kollektorneigung beträgt entweder 0° (waagrechte Montage der Kollektormodule) oder 45°.

Conclusio

Im Rahmen des Projektes wurden Kollektorkonzepte entwickelt, welche auf Grund der Optimierung des Gesamtsystems reduzierte Wärmegestehungskosten aufweisen. Neben der Optimierung von Vakuumröhre, Kollektormodul und Kollektorfeld wurde eine Unterkonstruktion entwickelt, mit welcher eine effiziente horizontale Montage der Kollektormodule ermöglicht wird. Dadurch werden signifikante Gewichtsreduktionen des Kollektorsystems von bis zu 50% erreicht. Im nächsten Schritt ist eine konkrete Entwicklung geplant, ein Produkt am Markt einzuführen. Die umfangreichen Ergebnisse des Projektes werden Anfang 2016 in einem Projektendbericht der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt.

Referenz

Vukits, M. et al. (2015). Entwicklung von hocheffizienten und kostenoptimierten Mitteltemperaturkollektoren für solarthermische Großanlagen. OTTI - 25. Symposium für Thermische Solarenergie. Bad Staffelstein, Deutschland.

Projektpartner

  • AEE INTEC (Projektleitung)
  • ASGARD Solarkollektoren GmbH
  • Sunlumo Technology GmbH
  • S.O.L.I.D. Gesellschaft für Solarinstallation und Design mbH
  • Johannes Kepler Universität Linz JKU– Institut für Polymerwerkstoffe

Dieses Projekt wurde aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms „NEUE ENERGIEN 2020“ durchgeführt.

Autorenbeschreibung

Dipl.- Ing. (FH) Martin Vukits und DI Robert Hausner sind Mitarbeiter des Bereichs „Solarthermische Komponenten und Systeme“ bei AEE INTEC ( This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. )

Ing. Christian Fink ist Leiter des Arbeitsbereichs „Solarthermische Komponenten und Systeme“ bei AEE INTEC.

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