Stand der Technik: Solarthermische Großanlagen in unterschiedlichen Anwendungen gewinnen im Bereich der nachhaltigen Generierung von Wärme national und international zunehmend an Bedeutung. Die österreichische Solarindustrie hat diese Entwicklung erkannt und nimmt auch international eine zentrale Position im Segment der Anlagen >500 m² Kollektorfläche ein. Dies zeigen zahlreiche mit österreichischer Beteiligung realisierte große Anlagen. Angesichts des riesigen Marktpotenzials und der guten Positionierung österreichischer Unternehmen war es zu Beginn von ParaSol unbedingt erforderlich, verstärkt technologisches Grundlagenwissen in diesem Bereich aufzubauen.
Problemstellung: Ein zentraler Aspekt bei der Planung solarthermischen Großanlagen liegt in der hydraulischen Verschaltung der Kollektoren und Kollektorfelder. Dies beginnt bei der Hydraulik innerhalb eines Kollektors und geht bis zur Ausgestaltung mehrerer Ebenen an hydraulischen Parallelschaltungen im Kollektorfeld. Für die Hydraulik innerhalb eines Kollektors existierten in der wissenschaftlichen Literatur keine zuverlässigen Angaben zu den strömungstechnischen Verhältnissen realer T-Stücke, wie sie bei der Parallelschaltung von Absorberrohren auftreten; dies behindert die Entwicklung optimierter Kollektordesigns. Für die Hydraulik innerhalb eines Kollektors existierten für die Parallelschaltung von Absorberrohren in der wissenschaftlichen Literatur keine zuverlässigen Angaben zu den strömungstechnischen Verhältnissen realer T-Stücke, was die Entwicklung optimierter Kollektordesigns behindert. Auch auf den übergeordneten Hydraulikebenen (Verschaltung von Kollektoren parallel und in Serie zu Gruppen und Reihen) lagen zu Projektbeginn keine Möglichkeiten vor, um die entscheidenden hydraulischen Rahmenbedingungen in einem großen Kollektorfeld fundiert zu beschreiben. Aus diesem Grund können bei größeren solarthermischen Anlagen energetische und wirtschaftliche Potenziale (Reduktion der System- und Energiegestehungskosten) derzeit nicht ausgeschöpft werden, was wiederum deren Konkurrenzfähigkeit im Vergleich zu konventionellen Wärmeversorgungsanlagen reduziert.
Zielsetzungen: Vor diesem Hintergrund war es das Ziel, im Projekt ParaSol ein fundiertes mathematisch-physikalisches Modell zur Abbildung diverser strömungstechnischer Vorgänge in solarthermischen Anlagen zu entwickeln und an Hand experimenteller Messungen im Labor und im Feld zu validieren. Insbesondere sollte es dadurch möglich werden, detaillierte Berechnungen zu Strömungs- und Temperaturverteilungen, Wirkungsgraden sowie Reibungs- und Stoßdruckverlusten in allen hydraulischen Ebenen des Systems durchzuführen. Ein weiteres Ziel von ParaSol war es, auf Basis dieser Erkenntnisse technische Kennzahlen zur Charakterisierung des Verhaltens von solarthermischen Kollektoren und Kollektorfeldern zu entwickeln, um verschiedene hydraulische Verschaltungsmöglichkeiten für solare Kollektorfelder effektiv miteinander vergleichen zu können.
Methodik und Ergebnisse:
Nutzen und Ausblick: Auf Basis der durchgeführten Arbeiten konnte ParaSol wesentliche Beiträge zum Verständnis von hydraulisch-thermischen und wirtschaftlichen Fragen bei solarthermischen Großanlagen liefern. Die Projektergebnisse stellen neue Erkenntnisse für die Solarthermiebranche bereit, speziell für den Bereich solarthermische Großanlagen. ParaSol konnte bedeutendes Grundlagenwissen erarbeiten, Vereinfachungen für den Planungsprozess entwickeln, konkrete Kostenreduktionspotenziale aufzeigen und die Planungssicherheit erhöhen. Die Projektergebnisse tragen zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit großer Solaranlagen bei und verbessern die Chancen österreichischer Kollektorhersteller, Planer, Errichter und Betreiber im In- und Ausland.
Um die Erkenntnisse aus dem Projekt ParaSol zu vertiefen, wäre es als nächster Schritt nun wichtig, die Projektergebnisse mit Praxiserfahrungen aus Planung und Betrieb großer thermischer Solaranlagen zu verknüpfen. Dazu wäre ein vergleichender Zugang von planerischen Aspekten (etwa hydraulisch-thermische Berechnungen zu Kollektorfeld-Verschaltungen und die charakteristischen Kennzahlen) mit Messdaten der Anlagen vorstellbar. Ziel ist eine weitere Standardisierung und Kostensenkung bei der Anlagenplanung sowie eine Stärkung der Solarthermie-Branche.
MATLAB Toolbox zur Berechnung von Druckverlustbeiwerten (Zeta-Werte) von T-Stücken bei niedrigen Reynoldszahlen, basierend auf einem Neuronalen Netzwerk Modell und experimentellen Daten, veröffentlicht unter der Creative Commons Attribution Share-Alike 4.0 Lizenz, zugänglich über Zenodo: https://zenodo.org/record/383647#.WOIWw_IZK5R
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