Solarthermische Niedertemperatursysteme - Thermische Solarenergie: Grundlagen, Technologie, Anwendungen - page 406

Zur Einordnung der Leistungsfähigkeit von Luftkollektoren kann man folgende typi-
sche Anhaltswerte angeben, Konversionsfaktor η 0 ≈ 0.75-0.9, k

∗

≈ 8 − 30 W(m 2 K) in

ges

einem Temperaturbereich von 20-50 °C.
Luftkollektoren können zusammen mit Photovoltaikmodulen betrieben werden und
heißen dann Hybridkollektoren. Sie eignen sich, wenn die solar erwärmte Luft möglichst
ganzjährig zur Belüftung oder zur Luftvorwärmung genutzt werden kann. Sie können gro-
ße Luftmengen auf relativ niedrigem Temperaturniveau bereitstellen. Die Motivation zum
Einsatz der Hybride ist der geringe Wirkungsgrad der Photovoltaikmodule, die die einfal-
lende Strahlungsenergie in einer Größenordnung von 20 % in elektrische Energie umwan-
deln. Der größte Anteil der Energie wird in Wärme umgesetzt, die aber die Leistungsfähig-
keit des Moduls bei der Stromproduktion reduziert. Hierzu werden die Zellen durch eine
gezielte Hinterlüftung gekühlt. Bei den Hybridkollektoren erfolgt dies zumeist aktiv mit
Hilfe von Ventilatoren, wobei die warme Luft zusätzlich energetisch genutzt werden kann.

6.3 Systemsimulation solarthermischer Systeme

Zur Berechnung des Systemverhaltens komplexer Kreislaufsysteme wurden in den letzten
Jahrzehnten verschiedene Systemsimulationsprogramme insbesondere in der Chemie-
und Verfahrenstechnik wie auch der Kraftwerkstechnik entwickelt. Aber selbst mit mo-
dernen Rechnern ist eine vollständige dreidimensionale Abbildung eines Rohrleitungs-
netzwerks kaum für einen stationären Betriebszustand zu leisten. Instationäre Effekte, wie
sie sich durch zeitliche Veränderungen der Wärmequellen (zum Beispiel Sonnenstand,
Wolken oder auch Ausfall aktiver Komponenten wie Pumpen, Ventile etc.) zusätzlich
ergeben, führen zu einer weiteren deutlich erhöhten Komplexität, da in solchen Fällen
beispielsweise die Strömungsrichtung innerhalb des Kreislaufs mit Verzweigungen nicht
mehr vorgegeben sind.
In den Systemsimulationsprogrammen erfolgt daher eine vereinfachte Betrachtung
des Gesamtsystems, in dem man sich in erster Linie Skalenseparationsmethoden zunutze
macht. Am einfachsten lässt sich der Grundgedanke der Skalenseparation am Beispiel eines
Rohres erläutern. Rohrleitungen verfügen in der Regel über ein Längen zu Durchmesser-
verhältnis L / D , das deutlich größer als eins ist. Ausgehend von den Einlauflängen kann
man die Strömung schließlich im isothermen Fall in verschiedene Untersegmente aufzu-
teilen, wie das Segment der einlaufenden Strömung und der eingelaufenen Strömung. An
den Enden der Rohrleitung treten beispielsweise Krümmer oder Sammler und Verteiler
auf. Hat man die einzelnen Segmente identifiziert, so können aus Standardwerken wie dem
VDI-Wärmeatlas für die einzelnen Abschnitte die jeweiligen Druckverlust- beziehungs-
weise Wärmeübergangsbeziehungen angewendet werden. Dadurch dass L/D 1 gilt,

kann die Berechnung dieser Segmente auf eine eindimensionale Betrachtung unter dem
Aspekt der Impuls- und Energieerhaltung reduziert werden, da der Einfluss der Mehrdi-
mensionalität von untergeordneter Bedeutung ist. Hierzu wird das System in sogenannte
Knoten unterteilt.