Thermosolar - eine Alternative?

Jan Bruns wrote on Wed, 11-05-25 10:59:

Du übersiehst, daß hier bei uns oft die Hälfte oder mehr der nutzbaren Einstrahlung diffus einfällt.

Axel Berger:

Ja, oft. Nur mit Thermosolar heizen wollen, dürfte schwierig werden, ausser vielleicht mit viel Speicher, also schwierig.

Und diffuses Licht kann dieser Kollektortyp auch nicht so effizient umsetzen, wie andere. Ich hatte das schon kurz erwähnt: Man kann in dem Berechnungsskript natürlich jederzeit die solare Einstrahlung auf den Absorber auf nahezu 0 setzen, und dafür die Einstrahlung auf die Lochmaske bspw. auf 0.3 (etwa passend für solare Absorption von Gold). Der Gesamtwirkungsgrad sinkt dabei auf unter 15% (je nach sonstigen Eingabewerten natürlich auch schnell deutlich darunter).

Gruss

Jan Bruns

Moin,

Am 25.05.2011 10:59, schrieb Jan Bruns:

Diese Aussage ist dann wahr, wenn Wasser/Glykol in den Kollektoren zirkuliert. Alternativ gäbe es div. Kältemittel inzwischen in ungiftig, ozonungefährlich und unbrennbar.

Wieso nicht irgendein Mittel aus der Kältetechnik nehmen, das flüssige Kältemittel in die Kollektoren einleiten und dort verdampfen lassen?

Der Dampfdruck könnte bei ausreichender Sonneneinstrahlung eine kleine Kolbenmaschine/Turbine antreiben und etwas Strom könnte geerntet werden (Auch wenn der Wirkungsgrad vermutlich grottig wäre und die anfallende Überschusswärme im Sommer irgendwo "entsorgt" werden müßte. Gibt es sowas eigentlich schon in der Praxis?)

Viele Grüße,

O.J.

25 May 2011 08:59:13 GMT, Jan Bruns:

[...]

Wenn die Nutzung im Winter besonders wichtig ist und im Sommer ein "zuviel" an Wärme stört, bieten sich großflächige Flachkollektoren integriert in der Süd-Fassade an so vielleicht mit 10° Neigung zur Senkrechten. Vielleicht noch einen Teich davor, der als Spiegel für tiefstehende Sonne dient. Das Dach taugt dann noch reichlich für Photovoltaik. Es gibt kleine Hersteller (z.B. Hartmann in Rottenburg-Oberndorf), die Dir die Flachkollektoren genau passend für Deine Flächen zuschneidern.

Andreas

Ole Jansen:

Sher interessant. Hast Du da nähere Informationen zu? Mit welchem Zeug kann man völlig ungefährlich hohe Temperaturen vom Dach bekommen?

Im Prinzip kann man das machen, und tut das auch in ähnlicher Form, wobei mir nicht klar ist, was Dir an der Idee konkret wichtig ist. Geht es um den Phasenwechsel des Transportmediums? Dazu gibt es bestimmt irgendwelche auf Dampftrocknung basierende Anlagen. Oder darum, das Transportmedium selbst schon als Arbeitsmedium in einem Wärmekraftprozess zu verwenden? Das klingt für mich nicht sonderlich sinnvoll, schon weil die Anforderungen ans Transportmedium andere sind, als die an ein Arbeitsmedium, bspw. hinsichtlich benötigter Mengen und Viskosität bei niedrigen Temperaturen.

Und gerade die Kombination Phasenwechsel im Medium mitsamt Druckauskostung passt, glaube ich, nicht so richtig zu den Verhältnissen an Wohnhäusern, wo bspw. ein Bersten eines Rohres eben nicht bewirken soll, daß dann plötzlich mal eben das komplette Haus mit heissem Dampf ausgefüllt wird (das geht schnell, mit jedem Quadratmeter Kollektor nimmt ja die Gesamtmenge des Transportmediums zu, und wenn das schon beim hohen Arbeitsdruck siedet, wird es das bei einem Druckabfall solange weiter tun, bis es endlich eine geringe Temperatur erreicht hat).

Gruss

Jan Bruns

Andreas Oehler:

Ja, im Winter steht die Sonne niedrig. Gerade deshalb sind Flachkollektoren (zumindest ohne zusätzliche Wärmepumpen und sowas) prinzipiell nur sehr bedingt zum Heizen geeignet:

Bei niedrigem Sonnenstand schwächt die Atmosphäre die Sonneneinstrahlung ab, so daß man selbst bei optimaler Ausrichtung (mit Nachführung) im Winter selbst bei Mittagssonne eine deutlich geringere Einstrahlung hat, als im Sommer (grob 400W statt etwa 800W).

Wenn es dann draussen kalt ist, bspw. 30°C kälter, als in der warmen Bude, und die moderne Heizungsanlage (Niedetemperatur, Fussboden) auch nochmal

10°C obendrauf benötigt, um die Wärme tatsächlich im Raum abgeben zu können, kann man mit Flachkollektoren fast nichts mehr anfangen:

dT=40°C, E=400W -> Wirkungsgrad = 17%, dieser wahllos herausgesuchte Flachkollektor sammelt dann also etwa 70W pro Quadratmeter ein, so daß auch 20 Quadratmeter gerade soviel Wärme abgeben, wie ein normaler Haushaltsstaubsauger.

Vakuumröhrenkollektoren erreichen bei gleichen Verhältnissen eher sowas um 50% Wirkungsgrad, und auch bei weniger idealer Ausrichtung noch wesentlich bessere Wirkungsgrade, als Flachkollektoren.

Damit ist natürlich überhaupt nicht gesagt, daß Flachkollektoren nicht sinnvoll einzusetzen wären. Aber viel mehr, als den Warmwasseranteil des Heizaufwandes kann man damit eben nicht erzeugen, und auch das nur dann wirklich vollständig, wenn die Heizungsanlage insgesamt auf niedrige Vorlauftemperaturen ausgelegt ist.

Gruss

Jan Bruns

Am 26.05.2011 18:04, schrieb Jan Bruns:

Erstmal sollte das Kältemittel ungiftig und unbrennbar sein. (ASHRAE Norm 34 Cat. A1 oder ähnlich). Da kenne ich zB. H-FKW 134a, H-FKW 407C, H-FKW 410A und H-FKW 404A.

Der Rest hängt davon ab, welchen Prozess man wozu bei welchen Temperaturen fahren möchte.

So furchtbar konkret ist die Idee auch nicht. Ich würde das gerne diskutieren. Ich gehe mal von einer vorhandenen konventionellen Heizungsanlage oder einer mit Wärmepumpe aus.

- Steht eine Wärmesenke mit sagen wir mal 25°C zur Verfügung (Kühlschlangen, Fußbodenheizung, Schwimmbad, Teich...) könnte man die Kollektoren etwas unterhalb der Zersetzungstemperatur des jeweiligen Kältemittels (das ist schon seehr heiß) aufheizen. Benötigt würde dann eine Arbeitsmaschine, die mit ggf. Schmierung, Glide-Effekt und Dampfphasen des Kältemittels klar kommt. Verdichter aus der Kältetechnik können das (Bloß daß da die Leistung anders herum umgesetzt wird)

- Ist es das Ziel, Wärme im Bereich 70°C für Badewasser, Heizung etc. zu ernten ist die Druckdifferenz zwischen Kollektor und Kondensator geringer/nicht vorhanden/negativ. Könnte die Arbeitsmaschine in zwei Richtungen betrieben werden (also auch als Verdichter) hätte man mit der selben Hardware gleichzeitig eine Wärmepumpenanlage.

Generelle Vorteile, die ich sehe:

- Das Transportmedium verdampft bei einer Havarie. Keine Sauerei, bleibt lediglich die Gefahr von Erstickung, welcher baulich Sorge getragen werden müßte (zB. durch doppelwandige Rohre usw.)

- Die Betriebszustände wären nicht fest vorgegeben sondern könnten über die Kältemittelmenge im System variabel eingestellt werden. Wenn es ein ausreichendes Reservoir für flüssiges Kältemittel gäbe, könnte durch die Regelung der Einspritzmenge in die Kollektoren Druck/Temperatur dem jeweiligem Bedarf/Der Sonneneinstrahlung angepasst werden. Mit Flüssigkeit allein ist man nicht so flexibel.

- Es gibt kein Korrosionsproblem wie bei Wasser/Glykol. Die medienführenden Teile der Kollektoren könnten aus zB. billig aus Stahlblech hergestellt werden.

- Die Gefahr von Eisbildung bei Frost besteht nicht.

Für Wasser trifft dies zu. Kältemittel haben bei Umgebungsdruck einen wesetlich niedrigeren Siedepunkt. Ggf. entsteht bei einer plötzlichen Entspannung sogar eiskalter Dampf.

Viele Grüße,

O.J.

26 May 2011 16:54:47 GMT, Jan Bruns:

Wieviel Tage im Jahr ist das der Fall? Mir scheint es sinnvoller, für die paar Tage ein alternatives Heizsystem vorzuhalten - z.B. einen Holzofen mit Wärmetauscher zum Warmwasserspeicher.

Ein Betrieb hier in der Nähe wärmt den Fußboden der Montagehalle auch im Winter mit Energie aus den fast senkrecht montierten Flachheizkörpern. Raumtemperatur liegt da dann wohl bei 15-16°C und selbst 20° C warmes Medium helfen noch für angenehmeres Raumklima zu sorgen.

Bei längerfristig durchgehend bedecktem Himmel hilft aber alles nicht...

Andreas

Ole Jansen:

Hm. Also wenn Du bei 70°C schon an Prozessumkehr denkst, gibt aber doch schon Carnot echt wenig Wirkungsgrad her, und solche Temperaturen lassen sich mit 'nem Gartenschlauch echt billig transportieren (ganz ohne die Option zu rauben, Wärmepumpen nachzuschalten).

Wenn wir dann aber in einen Temperaturbereich gehen, in dem Wirkungsgrad- mässig mehr zu holen wäre, hat selbst Wasser schon enorme, haushaltunübliche Dampfdrücke, und es stellt sich mir die Frage, wozu man diesen Druck durch Wahl eines anderen Mediums noch weiter erhöhen sollte.

Aber ok, vielleicht peil' ich ja nur den Trick nicht. Ist aus meiner Sicht auch erstmal völlig egal, was für'n Zeug den kollektor kühlt.

Mag sein.

Verstehe ich nicht. Auf jeden Fall gibt doch das Rohr einen maximalen Betriebsdruck vor, ganz unabhängig davon, ob ein Phasenwechsel stattfindet, oder nicht. Den Fluss kann man ebenfalls unabhängig davon, ob ein Phasenwechsel auftritt, frei wählen.

Ok, aber das sind aber lösliche gelöste Probleme.

Hm. Du meinst, weil nach dem heissen Dampf dann hinterher auch noch ganz viel zusätzlicher kühler Dampf hinterherkommt, werden die Brandwunden gleich gekühlt und verheilen dann besser?

Gruss

Jan Bruns

Andreas Oehler:

Die Frage ist falschrum gestellt. Richtiger wäre andersrum: An wieviel Tagen der Heizperiode ist das mal nicht so?

Energetisch ist das nämlich fast in der gesamten Heizperiode so, wie Du an folgendem bereits gezeigten Diagramm ablesen kannst:

Jede Kurve repräsentiert eine andere Kollektorausrichtung, und beschreibt die in einem gegebenen Winkel (x-Achse) einfallende Gesamtenergie. Man sieht deutlich den überaus stark ausgepägten Peak bei genau der besagten Konstellation (ok, das obige Szenario beinhaltet auch Temperaturen, aber wie die sich verhalten, weiss man ja inetwa...). Insbesondere sieht man an der blauen 0° Kurve (=parallel zum Boden), daß zwar durchaus am Rand der Heizperiode schon richtig hohe Sonnenstände erreicht werden, die dabei einstrahlende Energie aber wegen des kurzen Zeitanteils gering ist.

Interessant.

Klar.

Gruss

Jan Bruns

Am 27.05.2011 11:31, schrieb Jan Bruns:

Es geht mir auch eher um "Energy Harvesting".

Nein, darum geht es nicht. Der Siedepunkt von Wasser ist beim jeweiligen Druck/Temperaturpaar fest vorgegeben. Andere Stoffe haben andere Drücke/Temperaturen. Wasser wird bei 0°C fest. Andere Stoffe nicht. Kolbenverdichter mögen nicht so gerne Wasser usw. Eventuell gibt es geeignetere Transportmedien.

Du hattest noch nie mit Wärmepumpen oder Großkühlanlagen zu tun?

Ein Gegenstand von der Fläche A wird von der Sonne bestrahlt und erwärmt sich dabei.

Die Sonneneintrahlung sein konstant. Bei zunehmender Temperatur strahlt der Gegenstand aber auch Wärme ab oder verliert diese durch Wärmeleitung usw. Irgendwann stellt sich ein Gleichgewicht ein und der Gegenstand nimmt eine feste Temperatur "Endtemperatur" an.

Jetzt nehmen wir mal an, der Gegenstand wird gekühlt. Am Punkt "Körper hat Umgebungstemperatur" und "Körper hat Endtemperatur" kann keine Leistung genutzt werden. Dazwischen gibt es bei einer Temperatur T irgendwo einen optimalen Arbeitspunkt.

Der optimale Arbeitspunkt T hängt aber von der instantanen Sonneneinstrahlung ab und ändert sich dauernd.

Es wäre möglich durch Regelung der Einspritzmenge und des Verdampfungsdruckes T gezielt einzustellen. Dafür wäre aber ein Phasenwechsel des Transportmediums eine Bedingung. Für Wasser gelten bestimmte Grenzen. Für Kältemittel gelten jeweils andere Grenzen.

Bei Phasenwechsel nutzt Du die Verdampfungswärme und nicht die Wärmekapazität. Für die flüssige Phase braucht es daher lange nicht so große Rohre.

Nein, ich meine die Erfahrung daß bei Kältemittellecks oft die Gefahr von Erfrierungen besteht und seltener die von Verbrennungen.

Viele Grüße,

O.J.

Ole Jansen:

Richtig. Das wird in Datenblättern von Kollektoren gerne "Stagnationstemperatur" genannt. Hängt natürlich von der Einstrahlung ab (und auch von der Umgebungstemperatur).

Typische Werte liegen im Bereich 150 bis 200°C für Flachkollektoren bei 1000 W/m^2 Einstrahlung und Ta=25°C. In erster Näherung ist diese Stagnationstemperatur(-differenz) proportional zur Einstrahlung.

Effektiv richtg, wenn es Dir um Stromgewinnung geht, aber hinsichtlich Wärmegewinnung nicht stimmig, man kann die Leistung bei Tk=Ta ja schon nutzen, um einen Wärmespeicher der Temperatur Ts=Ta zu erwärmen. Die paar Grad für Wärmeübergänge sind vernachlässigbar. Die Anlage hat dann sogar maximalen Wirkungsgrad.

Nein. Setzen wir zusätzlich eine Wärmekraftmaschine an den Kreislauf.

Diese möge nur dann Anlaufen und damit signifikant Wärmeleistung entnehmen, wenn das Kühlmittel vom Kollektor eine Temperatur Tk >= T hat. Läuft die Maschine nicht, dann steigt Tk bis T erreicht ist, da wir mit T den optimalen Arbeitspunkt des Gesamtsystems bezeichnen wollten, der immer unterhalb der Stagnationstemperatur des Kollektors liegt.

Idealerweise können wir nun bspw. über die Drehzahl die Wärmekraftmaschine so regeln, daß fortwährend Tk=T gilt.

In welchem Bereich wird nun T liegen? Für einen Flachkollektor, der eine Wärmekraftmaschine zur Stromgewinnung antreibt, wird das sicherlich eine Temperatur sein, die immer im Bereich 30..130°C liegt, wenn überhaupt irgendwas signifikantes zu ernten ist. Mit anderen Kollektortypen kann dieser Bereich gleichzeitig nach oben verschoben werden. Also bspw. irgendwas Richtung 60..160°C für einen nicht nennenswert konzentrierenden Vakuumröhrenkollektor, oder ca. 140..240°C für den von mir hier vorgestellten Kollektortyp.

Gruss

Jan Bruns

Am 30.05.2011 22:11, schrieb Jan Bruns:

Möglichst hoch natürlich ;-)

Mein Vorschlag zielt darauf ab, die Nachteile von Wasser als Transportmedium zu umgehen und Solarthermie etwas flexibler einzusetzen, dh. je nach Bedarf und Sonneneinstrahlung Badewasser zu erwärmen oder Fußboden/Wandheizungen oder ein Schwimmbad und dabei ~eventuell~ etwas Strom zu ernten. Die Phasenumwandlung habe ich auch vorgeschlagen, um den Energieaufwand zur Bewegung des Wärmetransportmediums zu reduzieren. Und ich fühle mich nicht wohl mit 100l 130°C heißem Wasser direkt über mir.

Ich wollte nicht, behaupten, daß man so mehr Leistung pro Fläche nutzen kann. Eine "klassische" Thermosolaranlage ist nice to have im Frühling und im Herbst, aber:

Meiner persönlichen Anschauung nach ist die derzeitige Hausanlage im Sommer nutzlos (Viel zu viel Wärme. Ein Schwimmbad gibt es hier nicht. Damit es nicht wird der Keller geheizt und kann dort schön Wäsche trocken) und im Winter nutzlos (Da reicht es nichtmal für lauwarmes Badewasser und der WWSpeicher wird regelmäßig mit Fremdenergie ausgeheizt damit sich nicht zu viele Legionellen bilden)

Den Installationskosten stehen gefühlte 15¤ Ersparnis beim Gas entgegen. Das ist wohl etwa auch das, was die ganzen Umwälzpumpen/Regler Geraffel von der Heizung an Strom im Monat verbrauchen.

Ich verstehe Deine Argumentation hier nicht. Was genau willst Du eigentlich mit Deinem vorgeschlagenen Kollektortyp erreichen?

O.J.

Ole Jansen:

Naja, soll mir ja prinzipiell recht sein, ich sehe nur nach wie vor eben diese angestrebten Vorteile eines Phasenwechsels nicht. Mag sein, daß meine denkweise dabei zu starr darauf abzielt, Druck und Temperatur des Mediums im Sattdampfbereich zu halten.

Ja, das ist sicher auch keine ganz untypische Beschwerde. Genau deshalb rechnete ich ja diese in vielerlei Hinsicht zunächst irre aufwändig erscheinende Konstruktion.

Ist ja auch keine Argumentation, sondern so erstmal eine einfache in den Raum geworfene Behauptung.

Im wesentlichen geht es mir darum, für das Szenario typischer sonniger Wintertage möglichst viel tatsächlich praktisch nutzbaren Heizeffekt sicherzustellen, d.h., auch bei üblichen "Wärmespeichertemperaturen" gegenüber relativ niedrigen Aussentemperaturen und bei geringer Sonneneinstrahlung einen hohen Kollektorwirkungsgrad zu schaffen.

Also als Referenzszenarion verwende ich ganz gerne 300W/m^2 Einstrahlung (entsprechend bspw. der Mittagssonne im Winter auf ein nicht sonderlich steiles Süddach, bzw. dem Tages-Halbenergiepunkt etwas steilerer Dächer).

Diese Anforderung zwingt zu Konstruktionen die (zumindest theoretisch) eben auf relativ hohem Temperaturniveau effizent arbeiten. Das kann man so den besseren der auf dem Markt erhältlichen Kollektoren meines Wissens bereits gerade so attestieren, aber der Wirkungsgrad beginnt bei diesem Szenario eben doch zu schwinden.

Also ist es ein Designziel, das Temperaturniveau, bei dem ein Kollektor noch effizient sammelt, möglichst hoch anzusetzen (das ist ja das Problem im WInterszenario: es sind hohe Wärmespeichertemperaturen gefragt, die Aussentemperatur ist niedrig, und die sich so ergebende Temperaturdifferenz ist gross in Bezug auf die geringe Einstrahlung, die bei gegebenen Temperaturverhältnissen und gegebener Kollektorkonstruktion direkt den Wirkungsgrad beeinflusst: Temperatur bedingt Verlustleistungen, unabhängig davon erfolgt Einstrahlung, die ein Kollektor dann anteilig und abzüglich der Einstrahlungsunabhängigen Verluste sammeln kann).

Das Blöde daran: Bei sommerlichen Strahlungsverhältnissen und fehlender Nutzungsmöglichkeit für Wärme ist zumindest die Kollektorfläche sinnlos verbaut, und die Stagnationstemperatur der mühsam und mit nur mässigem Erfolg auf das Winterszenario getrimmten Kollektoren stördend hoch (bspw. oft 300°C bei Röhrenkollektoren).

Auch diese Probleme minimiert der von mir vorgeschlagene Kollektortyp: Die Stagnationstemperatur liegt zunächst prinzipbedingt zwar theoretisch erstmal bei noch grösseren Temperaturen über 400°C, praktisch aber weit darunter, weil im Falle der Kühlmittelstagnation auf eine Nachführung der Lochmaske verzichtet wird, bzw. die hohe Temperaturen ohnehin durch Längenausdehnung dazu führen, daß die Lchmaske nicht mehr passt, so daß die tatsächliche Stagnationstemperatur im für Flachkollektoren typischen Bereich unter 200°C liegt.

Dennoch ermöglicht die hohe theoretische Stagnationstemperatur eben auch ein effizientes Sammeln auch bei hohen Temperaturen. Weil die aber schwer vom Dach zu transportieren sind, ist es zweckmässig, irgendeine Form von Wärmekraftprozess direkt im Kollektor auf dem Dach zu haben, so daß nur die vergleichsweise kühle "Abwärme" abtransportiert werden muss. Dazu kann man bspw. Thermoelemente zwischen Absorber und das "Kühlwasser" schalten.

Ergibt dann nach meinen Rechenergebnissen, wie dargestellt unter

(funktioniert mindestens mit aktuellem FireFox) dann elektrische Leistungen im Bereich von bis etwa 40W pro m^2, abghängig davon, zu welcher Temperatur man "kühlt". Das ist zwar weniger, als kristalline PV-Zellen liefern, und diese elektrische Leistung bricht bei geringer Sonneneinstrahlung auch schneller ein, als bei PV-Zellen, aber man hat eben einen Zusatznutzen.

Gruss

Jan Bruns