Untersuchung eines solaren Spiegelsystems

Zuletzt aktualisiert am 05.02.2017

1 Ausgangslage

Die Firma Isomorph srl hat unter Leitung von Herrn Dr. Hans Grassmann seit 2006 ein konzentrierendes Spiegelsystem zur Umwandlung solarer Strahlung in thermische Energie, den sogenannten Linearspiegel (Abbildung 1), entwickelt.

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Abbildung 1:  Konzentrierendes Linearspiegelsystem

Die Spiegel sind azimutal-  und höhenverstellbar und können mit Hilfe zweier Motoren der Sonne exakt nachgeführt werden. Die Steuerung der Nachführung kann auf eine lineare Funktion zurückgeführt werden – daher der Name „Linearspiegel“.

Es gibt bei diesem System zwei verschiedene voneinander unabhängige Steuerungen:

  • Eine Standard-Solarregelung für herkömmliche Solarthermieanlagen, welche die Umwälzpumpe vom Warmwasserspeicher zum Wärmetauscher und die Umwälzpumpe für die Sole steuert.
  • Die zweite Steuerung bedient die Elektromotoren des Spiegelsystems (Ausrichtung) und fährt das System bei Übertemperatur aus der Sonne. Die Steuerungen sind nicht gekoppelt.

Das Bayerische Staatsministerium für Umwelt und Gesundheit hat die Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. beauftragt, dieses Linearspiegelsystem hinsichtlich seiner Effizienz und Wirtschaftlichkeit zu analysieren.

2 Vorgehensweise

Ziel des Messaufbaus war die Messung der thermischen Leistung und des Wirkungsgrades des Linearspiegels. Zur Erreichung dieses Ziels wurden die Temperaturdifferenz von Vor- und Rücklauf und der Volumenstrom der Trägerflüssigkeit gemessen. Zum Einsatz kamen dabei ein magnetisch-induktives Volumenstrom-Messgerät sowie aufeinander gepaarte PT100 Sensoren.

Im Gegensatz zu marktüblichen Solarkollektorsystemen kann das Linearspiegelsystem nur die direkte und nicht die diffuse Globalstrahlung energetisch nutzen. Die Messwerte der direkten Solarstrahlung sind Minutendurchschnittswerte des Deutschen Wetterdienstes (DWD) für den Standort Bamberg. Die Außentemperatur und Luftfeuchtigkeit wurde in Minutenabständen in direkter Nähe zum Absorber gemessen.

Es wird das Wärmeträgermedium "Tyfocor-LS" (Fertiggemisch bis -28 °C) verwendet. Es weist eine temperaturabhängige spezifische Wärmekapazität im Bereich von 3,4 bis knapp 4 kJ/(kg*K) auf. Zur Messung des Durchflusses wurde ein magnetisch induktiver Durchflussmesser des Modells MS 501 "Microflow" im Rücklauf der Anlage eingebaut. Dieser erreicht eine deutlich höhere Messgenauigkeit als beispielsweise Flügelradzähler. Zur Aufzeichnung der Daten wurde ein TDS-Datenlogger an den Transmitter des Durchflussmessers und an die Temperatursensoren angeschlossen.

Der Wirkungsgrad η eines Kollektors errechnet sich aus dem Quotienten der nutzbaren Wärmeleistung Wn und der auf die Aperturfläche A eingestrahlten Globalstrahlung E:

η = Wn / (E*A)

Als Aperturfläche zählt die Spiegelfläche. Der exakte Wert der Spiegelfläche beträgt 7,7 m², wobei 0,7 m² während der Mittagszeit vom Absorber abgeschattet werden. Für die dem Wirkungsgrad zugrunde liegenden Berechnungen wurden daher in dieser Arbeit 7,2 m² verwendet. Die zur Verfügung gestellte Leistung ergibt sich damit aus dem Produkt von Spiegelfläche und Bestrahlungsleistung.

3 Ergebnisse

Abbildung 2 zeigt die thermische Leistung in Minuten-Mittelwerten an einem sonnigen Januartag am Standort Bamberg. Bei entsprechender Einstrahlung kann demnach eine vom Solarspiegel nutzbare thermische Leistung von ca. 4 kW erreicht werden.

Diagramm_01_350

Abbildung 2:  Thermische Leistung des Solarspiegels am 22.01.2011

Abbildung 3 zeigt die direkte Solarstrahlung mit Nachführung, die thermische Leistung und den Wirkungsgrad als 30-Minuten-Mittelwerte für den 21. Februar 2011.

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Abbildung 3:  Leistung, Wirkungsgrad und solare Strahlung für den 21.02.2011

Deutlich erkennbar ist der synchrone Verlauf von thermischer Leistung und solarer direkter Einstrahlung an diesem Tag. Der Wirkungsgrad liegt durchgehend über 50 %.

Beim Wirkungsgrad eines Kollektors handelt es sich nicht um eine feste Kenngröße, vielmehr ist dieser vom Betriebszustand des Kollektors und äußeren Einflussfaktoren abhängig:

  • Differenz von mittlerer innerer Temperatur des Kollektors und der Umgebungstemperatur
  • Intensität der solaren Strahlung
  • Einstrahlungswinkel der solaren Strahlung
  • Windstärke

Aufgrund der ca. 14-fachen Einstrahlungsleistung durch die Spiegel der Anlage treten relativ zur solaren Leistung deutlich weniger thermische Verluste auf als bei herkömmlichen Kollektoren. Der Linearspiegel erreicht durch die Konzentrierung und Nachführung des Sonnenlichts auch bei geringerer Einstrahlung hohe Wirkungsgrade und hat im aktuellen Entwicklungsstand bereits die Effizienz von Vakuumröhrenkollektoren erreicht.

Die Kosten für eine Anlage zur Brauchwassererwärmung liegen bei ca. 700 € pro Quadratmeter Kollektorfläche. Für einen 4–Personenhaushalt liegen die Investitionskosten damit bei einem Flachkollektor zwischen 3.000 € und 5.000 € für die Gesamtanlage. Die Preise für eine Kombianlage liegen zwischen 8.000 € und 12.000 €. Der Einsatz von Röhrenkollektoren erhöht den Preis um ca. 30 % (Stand Mai 2011).

Die Kosten des Linearspiegelspiegels liegen nach Herstellerangaben bei 6.000 € (Stand Mai 2011). Dies ergibt pro Kollektorfläche, welche in diesem Fall also der Spiegelfläche von 7,7 m² entspricht, 780 €. Damit liegen die Kosten für den Linearspiegel im Bereich heute verfügbarer Kollektoren.

 

Auftraggeber:  Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Gesundheit (StMUG)