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Experimentelle und Theoretische Untersuchungen zur gleichzeitigen Nutzung von Umgebungsenthalpie und Einstrahlung anhand eines Solarthermischen Mehrkomponentensystems in Verbindung mit dem Fernwärmenetz in Bischkek (Kirgisistan)


Project Details
Project duration: 12/200312/2006


Abstract
Solarkollektoren dienen der Erwärmung von Fluidströmen durch die Umwandlung solarer Einstrahlung in thermische Energie. Bei nahezu allen Anwendungen ist hierbei die Differenz zwischen Ein- und Austrittstemperaturen des Fluids klein, wobei die Eintrittstemperaturen fast immer oberhalb der Umgebungstemperatur liegen. Deswegen wird in solarthermischen Systemen meist nur ein Kollektortyp eingesetzt, der entsprechend der jeweiligen Anwendungsbereiche konstruiert wurde, z.B. unabgedeckte Kollektoren für die Erwärmung von Schwimmbeckenwasser oder Flachkollektoren zur solarunterstützten Warmwasserbereitung. Kollektoren für diese Anwendungen sind bereits eingehend auf Möglichkeiten zur Erhöhung der Effektivität der Systeme untersucht worden. Wenn hingegen die Fluid-Eintrittstemperatur häufig oder gar überwiegend unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, wäre der Einsatz unterschiedlicher solarthermischer Komponenten für die Bereiche unterhalb als auch oberhalb der Umgebungstemperatur in Erwägung zu ziehen. Zusätzlich zur solaren Einstrahlung könnte dann auch die in der Umgebungsluft enthaltene Enthalpie genutzt werden. Hierzu wird ein seriell verschaltetes solarthermisches System untersucht, dass aus einem Luft-Wasser-Wärmeübertrager, der die Enthalpie des Luftstroms an einen Wasserstrom überträgt, und unabgedeckten wasserdurchströmten Kollektoren besteht, die den Wasserstrom weiter erwärmen. Um den Luftstrom für den Luft-Wasser-Wärmeübertrager über das Umgebungstemperaturniveau hinaus zu erwärmen, werden unabgedeckte Luftkollektoren eingesetzt. Eine mögliche Anwendung mit außergewöhnlich niedrigen Fluideintritts- und hohen Umgebungstemperaturen sind offene Fernwärmenetze, wie sie in vielen großen Städten der Gemeinschaft Unabhängiger Staaten betrieben werden. Hier müssen auch im Sommer sehr große Mengen kalten Wassers von rund 12?C auf die Nutztemperatur von ca. 60?C erwärmt werden. Solarthermische Mehrkomponentensysteme der beschriebenen Zusammenstellung sind bislang nicht untersucht worden. Eine große Zahl möglicher Parameterkombinationen eröffnet hier viele weitere Freiheitsgrade, um die Betriebscharakteristik solcher Systeme zu beeinflussen. Dies gilt insbesondere für die Systemregelung, für die völlig neue Regelalgorithmen entwickelt werden müssen. Um die einzelnen Einflussfaktoren zu untersuchen und die wichtigsten identifizieren zu können, müssen dynamische Systemsimulationen durchgeführt werden. Darüber hinaus sollen die Systemsimulationen mit Optimierungsalgorithmen gekoppelt werden, um Korrelationen zwischen den Parametern berücksichtigen zu können und optimale Parametervektoren zu ermitteln. Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden numerische Rechenmodelle der Komponenten in einer Simulationsumgebung zusammengestellt, auf die außergewöhnlichen Betriebsbereiche angepasst und validiert. Ferner werden anhand von Simulations- und Optimierungsmethoden die Grundlagen erarbeitet, um solarthermische Mehrkomponentensysteme sinnvoll zu dimensionieren und effizient regeln zu können.

Last updated on 2017-11-07 at 14:52