Übungen zur Erneuerbaren Energien / Solarthermie
Maschinenbau 5 Semester
Maschinenbau 5 Semester
Welche prinzipiellen Unterschiede zwischen konventionellen und erneuerbaren Energien gibt es?
konventionelle Energien:
- fossil boigen ( Kohle,Erdgas) und fossil mineralisch
Förderung: Forschungsförderung, Rekultivierung, Gewinngarantien, Befreiung von Versicherungspflichteh
erneuerbare Energien:
-Wasser, Wind, Sonne
Förderung: durch Marktreizprogramm (Wärme)
Durch EE-Gesetzt (Strom)
Nennen Sie den Inhalt und das Prinzip eines Sankey-Diagramms!
Ein Sankey-Diagramm ist die grafische Darstellung der Flüsse (Menge pro Zeiteinheit) von zB Energie, Stoffen oder Geld durch ein System. Üblicherweise werden die Flüsse als Pfeile dargestellt, wobei die Breite des Pfeils proportional zur Größe des repräsentierten Flusses ist. Besser als Zahlen oder Beschreibungen zeigen sie rasch und intuitiv, welche Ströme Nutzen stiften und welche Abfälle und Emissionen darstellen.
Warum sollte die Sinnfälligkeit von Energieeffizienzmaßnahmen stets vor dem Einsatz erneuerbarer Energien untersucht werden?
es muss geprüft ob sie rentabel sind, das heißt man muss auch prüfen ob und wo man überhaupt Strom oder Wärme sparen kann!
Es müssen Preise verglichen werden und Fördermaßnahmen beobachtet werden.
Man muss die technischen Vorausetzungen erfüllen können!
Es muss ein geeignetes Lastmanagement eingeführt werden! (Spitzenlasten gegen Mittag anstreben)
Nennen Sie die fünf wichtigsten Hauptkomponenten einer thermischen Solaranlage!
Kollektorfeld
Regler
Speicher
Umwälzpumpe
Membranausdehnungsgefäß
Skizzieren Sie das Funktionsprinzip einer thermischen Solaranlage (grafisch) !
b
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Erklären Sie das Funktionsprinzipeines Röhrenkollektors
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Welche Aufgaben hat der Absorber?
Die aufgefangene Wärmeenergie kann durch ein in die „Thermoskanne“ ragendes Rohr (U-Rohr oder koaxiales Rohr) abtransportiert werden, das von der Wärmeträgerflüssigkeit direkt durchflossen wird. Die heute verbreitetere Variante ist der Einsatz eines Wärmerohres („Heat-Pipe“), das oben aus der Röhre herausgeführt wird, wo die Energie in einer vom Wärmeträger durchflossenen Schiene gesammelt und dann abgeführt wird. Vorteil dieser Anordnung ist das leichte Auswechseln einer defekten Vakuumröhre ohne Ablassen der Trägerflüssigkeit, Neubefüllen und Entlüften des Systems.
Welche Anforderungen werden an die Beschichtung der Absorberbleche eines Kollektors gestellt?
ein hoher Absorptionsgrad und ein geringer Emissionsgrad
In der Solartechnik, speziell der Solarthermie, muss eine möglichst hohe Aufnahme und Weiterleitung der gewonnenen Sonnenenergie erreicht werden. Aus diesem Grund ist die Oberfläche von einem Absorber in den meisten Fällen schwarzoder dunkel eingefärbt. Alternativ wird auch eine spezielle Beschichtung verwendet, die die von außen kommende Sonnenenergie möglichst optimal absorbiert. So wird die längerwellige Wärmeenergie von einem Absorber nur schlecht abgegeben.
Um möglichst niedrige Emissionswerte zu erreichen, weisen die heutigen Beschichtungen von Flachkollektoren eine bläulich schimmernde Farbe auf. Auch diese sog. "selektiven Beschichtungen" haben eine Aufnahmekapazität von bis zu 96% und weisen eine geringere Abstrahlung und somit unerwünschte Wärmeverluste auf. So sind durch spezielle Solarabsorber-Beschichtungen höhere Leistungswerte in Form eines höheren Solarertrags bei moderneren Solaranlagen mit spezieller Absorberbeschichtung gegeben als bei einem herkömmlichen Solar-Absorber.
Welche Aufgaben hat die Glasabdeckung eines Kollektors?
Sie schützt den Kollektor vor Umwelteinflüssen und hält das Vakuum bei Vakuumrührenkollektoren.
Wovon hängt der optimale Neigungswinkel eines Kollektors ab?
Dachneigung für Warmwasser
Wichtig bei der Bestimmung der optimalen Dachneigung ist, welches System auf dem Dach installiert werden soll.
Da eine Solarthermie Anlage zur Trinkwassererwärmung größtenteils im Sommer genutzt wird, ist ein geringerer Neigungswinkel von rund 30 bis 50 Grad durch den hohen Sonnenstand optimal.
Dachneigung für die SolarheizungSolarthermie zur Heizungsunterstützung wird oft in den Übergangsmonaten im Frühjahr und Herbst genutzt, wenn die Sonne tiefer am Himmel steht. Daher ist bei dieser Form der Solarheizung eine Neigung von rund 45 bis 70 Grad ideal - ein zu hoher Ertrag im Sommer kann aufgrund mangelnden Wärmebedarfes ohnehin nur zu geringen Teilen genutzt werden und es kann zur Stagnation kommen.
Wovon hängt der thermische Wirkungsgrad eines in Betrieb befindlichen Kollektors zu einem bestimmten Zeitpunkt ab?
Von der Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Außenluft.
Allgemein:
Insbesondere dann, wenn der (Solar-) Wärmebedarf am Größten ist, eignen sich Vakuumröhrenkollektoren besser.
Für die reine Warmwasser-Bereitung liefern Flachkollektoren in den Sommermonaten häufig ausreichend Wärme; sobald eine effektive Heizungsunterstützung der thermischen Solaranlage erwünscht wird, sind riesige Kollektorflächen (und somit mehr Platz und Kosten) von Nöten, um annähernd die Kollektorleistung eines Vakuumröhrenkollektors zu erreichen.
Warum werden Solarwärmespeicher meist als Schichtenspeicher ausgeführt?
Mehr Warmwasserleistung bei gleichzeitig weniger Platzbedarf ist ein wesentliches Merkmal der Schichtladespeicher-Technologie. Gegenüber Warmwasserspeichern mit Wärmeübertragung über eingebaute Rohrschlangen ist die Aufheizzeit kürzer. Über einen außerhalb des Behälters montierten Plattenwärmetauscher wird das Trinkwasser erwärmt und von oben in den Speicher geladen. So steht sofort nach Beginn der Speicherladung warmes Wasser zur Verfügung.
Wodurch wird die Schichtenspeicherung bewirkt? Welche unterschiedlichen Bauweisen kennen Sie für Schichtenspeicher?
Warmes Wasser besitzt die Eigenschaft, dass es nach oben steigt, während kaltes Wasser nach unten sinkt.
Beim Schichtenspeicher einer Solarheizung findet man eine spezielle Konstruktion der äußeren Wärmetauscher vor, welche die Fähigkeit besitzt, das Wasser unterschiedlich zu temperieren. Auf diese Weise schichtet sich das Wasser der Temperatur entsprechend im Schichtenspeicher ein.
So erreicht man, dass im unteren Bereich des Schichtenspeichers einer Solarheizung das Wasser ziemlich kühl ist. Im oberen Teil des Speichers ist die Temperatur jedoch sehr viel höher als bei anderen Speichervarianten einer Solarheizung, die über keinen Schichtenspeicher verfügen.
Da das zuerst genutzte Wasser im oberen Bereich des Schichtenspeichers einen erhöhten Wärmegehalt besitzt, gestaltet sich dadurch der Vorgang der Nachheizung im unteren Bereich effektiver und einfacher.
Interne Modelle sind direkt im Solarspeicher integriert, externe Modelle werden im Leitungssystem eingesetzt.
externer Wärmetauscher = höhere Wärmeübertrag
Bei einem internen Wärmetauscher fließt nur die Flüssigkeit im Rohr, die umgebende Flüssigkeit nicht. Während diese sich erwärmt, sinkt der Temperaturunterschied beider Seiten, wodurch die Übertragung der Wärme ineffizienter wird. In einem Plattenwärmetauscher strömt die Flüssigkeit auf beiden Seiten der Austauschplatte. Auch die zu erwärmende Flüssigkeit wird also ständig durch kalte nachströmende Flüssigkeit ersetzt. So bleibt der Temperaturunterschied ständig maximal, und damit auch der Wärmeübertrag. Besonders effektiv ist der beidseitige ständige Austausch der Flüssigkeit, wenn die Strömungen in Gegenrichtung fließen. Weitere Vorteile externer Wärmetauscher sind die deutlich geringere Verkalkung und die leichte Zugänglichkeit, falls doch einmal ein Austausch erforderlich ist. Diesen Vorteilen steht ein höherer Anschaffungspreis gegenüber.
Erläutern Sie Funktion und Aufgabe des Membranausdehnungsgefäßes!
Ein Membran-Ausdehnungsgefäß hat den Zweck temperaturbedingte Volumenschwankungen in Warmwasser-Heizungsanlagen, Sole- oder Solarkreisläufen auszugleichen. Ohne Ausdehnungsgefäß oder bei einem Defekt würde ständig Wasser über das Sicherheitsventil aus der Anlage entweichen.
überdiemnsioniert= teuer und Speicher meist zu klein,
In jedem Fall ist eine individuelle Berechnung der Anlage empfehlenswert, da durch eine überdimensionierte Kollektorfläche die Anlage leicht Schaden nimmt.
unterdimensioniert = zu wenig Ertrag
Beschreiben Sie das Prinzip der Temperaturdifferenzregelung!
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Welche Parameter sind zur Steuerung einer Solarthermieanlage geeignet? Wie bewerten Sie diese Möglichkeiten?
Die Temperatur im Speicher und im Solarkollektor. Abhängig von diesen Werten schaltet er in Standardanlagen die Solarpumpe ein oder aus. Ist die Temperatur im Speicher höher als im Kollektor, gibt es keinen Grund, Solarflüssigkeit durch den Kreislauf zu pumpen. Der Solarregler schaltet die Pumpe in diesem Fall aus. Das geschieht auch dann, wenn die Temperatur im Speicher zu hoch ist, unabhängig von der Temperatur im Kollektor. Zu hoch ist sie in jedem Fall dann, wenn der Speicher keine Energie mehr aufnehmen kann.
Ein zu großer Kollektor bedeutet zu viel Energie für den Speicher. Gerade am Wochenende, da hier bei Prozesswärmeanlagen meist kein Verbrauch stattfindet. Die Dimensionierung des Pufferspeichers orientiert sich am lastprofil des Prozesses, das heißt, wann wie viel energie notwendig ist. einfacher ausgedrückt, je mehr energie außerhalb der Sonneneinstrahlung benötigt wird, umso größer muss das Puffervolumen sein.
Zusammenhang zwischen Kollektorfeldgröße, solarem Ertrag und solarem Deckungsgrad
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Cartes-fiches
Welche prinzipiellen Unterschiede zwischen konventionellen und erneuerbaren Energien gibt es?
konventionelle Energien:
- fossil boigen ( Kohle,Erdgas) und fossil mineralisch
Förderung: Forschungsförderung, Rekultivierung, Gewinngarantien, Befreiung von Versicherungspflichteh
erneuerbare Energien:
-Wasser, Wind, Sonne
Förderung: durch Marktreizprogramm (Wärme)
Durch EE-Gesetzt (Strom)
Nennen Sie den Inhalt und das Prinzip eines Sankey-Diagramms!
Ein Sankey-Diagramm ist die grafische Darstellung der Flüsse (Menge pro Zeiteinheit) von zB Energie, Stoffen oder Geld durch ein System. Üblicherweise werden die Flüsse als Pfeile dargestellt, wobei die Breite des Pfeils proportional zur Größe des repräsentierten Flusses ist. Besser als Zahlen oder Beschreibungen zeigen sie rasch und intuitiv, welche Ströme Nutzen stiften und welche Abfälle und Emissionen darstellen.
Warum sollte die Sinnfälligkeit von Energieeffizienzmaßnahmen stets vor dem Einsatz erneuerbarer Energien untersucht werden?
es muss geprüft ob sie rentabel sind, das heißt man muss auch prüfen ob und wo man überhaupt Strom oder Wärme sparen kann!
Es müssen Preise verglichen werden und Fördermaßnahmen beobachtet werden.
Man muss die technischen Vorausetzungen erfüllen können!
Es muss ein geeignetes Lastmanagement eingeführt werden! (Spitzenlasten gegen Mittag anstreben)
Nennen Sie die fünf wichtigsten Hauptkomponenten einer thermischen Solaranlage!
Kollektorfeld
Regler
Speicher
Umwälzpumpe
Membranausdehnungsgefäß
Skizzieren Sie das Funktionsprinzip einer thermischen Solaranlage (grafisch) !
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Erklären Sie das Funktionsprinzipeines Röhrenkollektors
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Welche Aufgaben hat der Absorber?
Die aufgefangene Wärmeenergie kann durch ein in die „Thermoskanne“ ragendes Rohr (U-Rohr oder koaxiales Rohr) abtransportiert werden, das von der Wärmeträgerflüssigkeit direkt durchflossen wird. Die heute verbreitetere Variante ist der Einsatz eines Wärmerohres („Heat-Pipe“), das oben aus der Röhre herausgeführt wird, wo die Energie in einer vom Wärmeträger durchflossenen Schiene gesammelt und dann abgeführt wird. Vorteil dieser Anordnung ist das leichte Auswechseln einer defekten Vakuumröhre ohne Ablassen der Trägerflüssigkeit, Neubefüllen und Entlüften des Systems.
Welche Anforderungen werden an die Beschichtung der Absorberbleche eines Kollektors gestellt?
ein hoher Absorptionsgrad und ein geringer Emissionsgrad
In der Solartechnik, speziell der Solarthermie, muss eine möglichst hohe Aufnahme und Weiterleitung der gewonnenen Sonnenenergie erreicht werden. Aus diesem Grund ist die Oberfläche von einem Absorber in den meisten Fällen schwarzoder dunkel eingefärbt. Alternativ wird auch eine spezielle Beschichtung verwendet, die die von außen kommende Sonnenenergie möglichst optimal absorbiert. So wird die längerwellige Wärmeenergie von einem Absorber nur schlecht abgegeben.
Um möglichst niedrige Emissionswerte zu erreichen, weisen die heutigen Beschichtungen von Flachkollektoren eine bläulich schimmernde Farbe auf. Auch diese sog. "selektiven Beschichtungen" haben eine Aufnahmekapazität von bis zu 96% und weisen eine geringere Abstrahlung und somit unerwünschte Wärmeverluste auf. So sind durch spezielle Solarabsorber-Beschichtungen höhere Leistungswerte in Form eines höheren Solarertrags bei moderneren Solaranlagen mit spezieller Absorberbeschichtung gegeben als bei einem herkömmlichen Solar-Absorber.
Welche Aufgaben hat die Glasabdeckung eines Kollektors?
Sie schützt den Kollektor vor Umwelteinflüssen und hält das Vakuum bei Vakuumrührenkollektoren.
Wovon hängt der optimale Neigungswinkel eines Kollektors ab?
Dachneigung für Warmwasser
Wichtig bei der Bestimmung der optimalen Dachneigung ist, welches System auf dem Dach installiert werden soll.
Da eine Solarthermie Anlage zur Trinkwassererwärmung größtenteils im Sommer genutzt wird, ist ein geringerer Neigungswinkel von rund 30 bis 50 Grad durch den hohen Sonnenstand optimal.
Dachneigung für die SolarheizungSolarthermie zur Heizungsunterstützung wird oft in den Übergangsmonaten im Frühjahr und Herbst genutzt, wenn die Sonne tiefer am Himmel steht. Daher ist bei dieser Form der Solarheizung eine Neigung von rund 45 bis 70 Grad ideal - ein zu hoher Ertrag im Sommer kann aufgrund mangelnden Wärmebedarfes ohnehin nur zu geringen Teilen genutzt werden und es kann zur Stagnation kommen.
Wovon hängt der thermische Wirkungsgrad eines in Betrieb befindlichen Kollektors zu einem bestimmten Zeitpunkt ab?
Von der Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Außenluft.
Allgemein:
Insbesondere dann, wenn der (Solar-) Wärmebedarf am Größten ist, eignen sich Vakuumröhrenkollektoren besser.
Für die reine Warmwasser-Bereitung liefern Flachkollektoren in den Sommermonaten häufig ausreichend Wärme; sobald eine effektive Heizungsunterstützung der thermischen Solaranlage erwünscht wird, sind riesige Kollektorflächen (und somit mehr Platz und Kosten) von Nöten, um annähernd die Kollektorleistung eines Vakuumröhrenkollektors zu erreichen.
Warum werden Solarwärmespeicher meist als Schichtenspeicher ausgeführt?
Mehr Warmwasserleistung bei gleichzeitig weniger Platzbedarf ist ein wesentliches Merkmal der Schichtladespeicher-Technologie. Gegenüber Warmwasserspeichern mit Wärmeübertragung über eingebaute Rohrschlangen ist die Aufheizzeit kürzer. Über einen außerhalb des Behälters montierten Plattenwärmetauscher wird das Trinkwasser erwärmt und von oben in den Speicher geladen. So steht sofort nach Beginn der Speicherladung warmes Wasser zur Verfügung.
Wodurch wird die Schichtenspeicherung bewirkt? Welche unterschiedlichen Bauweisen kennen Sie für Schichtenspeicher?
Warmes Wasser besitzt die Eigenschaft, dass es nach oben steigt, während kaltes Wasser nach unten sinkt.
Beim Schichtenspeicher einer Solarheizung findet man eine spezielle Konstruktion der äußeren Wärmetauscher vor, welche die Fähigkeit besitzt, das Wasser unterschiedlich zu temperieren. Auf diese Weise schichtet sich das Wasser der Temperatur entsprechend im Schichtenspeicher ein.
So erreicht man, dass im unteren Bereich des Schichtenspeichers einer Solarheizung das Wasser ziemlich kühl ist. Im oberen Teil des Speichers ist die Temperatur jedoch sehr viel höher als bei anderen Speichervarianten einer Solarheizung, die über keinen Schichtenspeicher verfügen.
Da das zuerst genutzte Wasser im oberen Bereich des Schichtenspeichers einen erhöhten Wärmegehalt besitzt, gestaltet sich dadurch der Vorgang der Nachheizung im unteren Bereich effektiver und einfacher.
Interne Modelle sind direkt im Solarspeicher integriert, externe Modelle werden im Leitungssystem eingesetzt.
externer Wärmetauscher = höhere Wärmeübertrag
Bei einem internen Wärmetauscher fließt nur die Flüssigkeit im Rohr, die umgebende Flüssigkeit nicht. Während diese sich erwärmt, sinkt der Temperaturunterschied beider Seiten, wodurch die Übertragung der Wärme ineffizienter wird. In einem Plattenwärmetauscher strömt die Flüssigkeit auf beiden Seiten der Austauschplatte. Auch die zu erwärmende Flüssigkeit wird also ständig durch kalte nachströmende Flüssigkeit ersetzt. So bleibt der Temperaturunterschied ständig maximal, und damit auch der Wärmeübertrag. Besonders effektiv ist der beidseitige ständige Austausch der Flüssigkeit, wenn die Strömungen in Gegenrichtung fließen. Weitere Vorteile externer Wärmetauscher sind die deutlich geringere Verkalkung und die leichte Zugänglichkeit, falls doch einmal ein Austausch erforderlich ist. Diesen Vorteilen steht ein höherer Anschaffungspreis gegenüber.
Erläutern Sie Funktion und Aufgabe des Membranausdehnungsgefäßes!
Ein Membran-Ausdehnungsgefäß hat den Zweck temperaturbedingte Volumenschwankungen in Warmwasser-Heizungsanlagen, Sole- oder Solarkreisläufen auszugleichen. Ohne Ausdehnungsgefäß oder bei einem Defekt würde ständig Wasser über das Sicherheitsventil aus der Anlage entweichen.
überdiemnsioniert= teuer und Speicher meist zu klein,
In jedem Fall ist eine individuelle Berechnung der Anlage empfehlenswert, da durch eine überdimensionierte Kollektorfläche die Anlage leicht Schaden nimmt.
unterdimensioniert = zu wenig Ertrag
Beschreiben Sie das Prinzip der Temperaturdifferenzregelung!
b
Welche Parameter sind zur Steuerung einer Solarthermieanlage geeignet? Wie bewerten Sie diese Möglichkeiten?
Die Temperatur im Speicher und im Solarkollektor. Abhängig von diesen Werten schaltet er in Standardanlagen die Solarpumpe ein oder aus. Ist die Temperatur im Speicher höher als im Kollektor, gibt es keinen Grund, Solarflüssigkeit durch den Kreislauf zu pumpen. Der Solarregler schaltet die Pumpe in diesem Fall aus. Das geschieht auch dann, wenn die Temperatur im Speicher zu hoch ist, unabhängig von der Temperatur im Kollektor. Zu hoch ist sie in jedem Fall dann, wenn der Speicher keine Energie mehr aufnehmen kann.
Ein zu großer Kollektor bedeutet zu viel Energie für den Speicher. Gerade am Wochenende, da hier bei Prozesswärmeanlagen meist kein Verbrauch stattfindet. Die Dimensionierung des Pufferspeichers orientiert sich am lastprofil des Prozesses, das heißt, wann wie viel energie notwendig ist. einfacher ausgedrückt, je mehr energie außerhalb der Sonneneinstrahlung benötigt wird, umso größer muss das Puffervolumen sein.
Zusammenhang zwischen Kollektorfeldgröße, solarem Ertrag und solarem Deckungsgrad
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