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ParaSol – Hydraulikdesign von parallelen Kollektormodulen in solarthermischen Großanlagen

Im Projekt „ParaSol“ wurde ein mathematisch-physikalisches Tool für Hydraulik-Berechnungen für solarthermische Großanlagen entwickelt und umfangreich messtechnisch validiert. Erstmalig konnten Druckverlust-Messungen von T-Stücken unter für die Solarthermie relevanten Rahmenbedingungen durchgeführt werden. Ein Satz von "Charakteristischen Kennzahlen" ermöglicht eine rasche wirtschaftliche und technische Beurteilung verschiedener Hydraulikkonzepte für solarthermische Kollektorfelder. Auf Basis der Projektergebnisse bildet ParaSol einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis von hydraulisch-ther­mi­schen und wirtschaftlichen Fragen bei solarthermischen Großanlagen.

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:

  1. Im Rahmen von ParaSol konnten erstmalig detaillierte experimentelle Labor-Untersuchungen zu Strömungsverteilungen und zum Druckverlust-Verhalten von T-Stücken unter für die Solarthermie relevanten Rahmenbedingungen durchgeführt werden. Diese Erkenntnisse generieren Informationen, die in der wissenschaftlichen Literatur bisher nicht vorlagen. Insgesamt wurden 20.596 Einzelmesswerte erfasst, jeweils Abzweig- und Durchgangs-Druckverlust für Stromtrennung und -vereinigung. Folgende Parameter wurden variiert: Reynoldszahl (Bereich von 250 bis 25.000), Volumenstromverhältnis Absorber zu Sammler, Eindringtiefe Absorberrohr in Sammelrohr (-3mm bis +9mm) sowie vier Sammelrohr-Durchmesser. Diese Druckverlust-Messungen wurden in MATLAB mit Hilfe von 16 Künstlichen Neuronalen Netzwerken ausgewertet und in Form einer dll-Datei in das Berechnungstool für solarthermische Kollektoren und Kollektorfelder integriert. Ebenfalls in das Berechnungstool integriert wurden die Erkenntnisse aus ausführlichen theoretischen Untersuchungen sowie aus verschiedenen experimentellen Arbeiten im Labor der AEE INTEC zum Übergangsbereich zwischen laminarer und turbulenter Strömung und zu Strömungsverteilungen in Kollektoren.
  2. Nächster Schritt im Projekt war die Validierung des Berechnungstools: Diese Validierung erfolgte zunächst im Labor der AEE INTEC an Hand von Messreihen an acht speziell gefertigten Rohrregistern. Im Anschluss daran wurde das Berechnungstool mit den Betriebsdaten einer solarthermischen Großanlage in Graz (362 m² Kollektorfläche) validiert. Der Detaillierungsgrad der messtechnischen Ausstattung dieser Feldanlage ist weltweit einmalig. Die Übereinstimmung zwischen Modell und Messung ist im Bereich Temperatur- und Strömungsverteilung als sehr gut, im Bereich Druckverlust als gut anzusehen; beträchtliche Unsicherheit kommt hier von den Wärmeträger-Stoffwerten. Insgesamt stehen mit den Projektergebnissen nun umfangreiche, fundierte und validierte Berechnungsmöglichkeiten zu Strömungsverteilungen, Reibungs- und Stoßdruckverlusten, Temperaturverteilungen sowie thermischen und hydraulischen Wirkungsgraden für solarthermische Kollektoren und Kollektorfelder zur Verfügung.
  3. In einem weiteren Projektteil von ParaSol wurde ein grundlegend neuartiger Zugang zur Bewertung von Kollektorfeldern entwickelt: Ein Satz von 11 "Charakteristischen Kennzahlen" ermöglicht einen raschen Überblick über die wesentlichen technischen Vorgänge in einem Kollektorfeld und bildet eine fundierte Basis zur wirtschaftlichen und technischen Beurteilung verschiedener Hydraulikkonzepte für solarthermische Kollektorfelder. Alle Kennzahlen können bereits im Rahmen der Kollektorfeld-Auslegung in der Planungsphase einer Solaranlage berechnet werden. In diesem Sinne stellt die Bewertungsmöglichkeit durch die Charakteristischen Kennzahlen eine Verbesserung des Detailplanungsprozesses solarthermischer Anlagen dar.

 

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.

Download: Endbericht

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


Projektleitung

DI Philip Ohnewein

Auftraggeber

Klima- und Energiefonds über FFG

Projektkoordination

AEE – Institut für Nachhaltige Technologien

Projektpartner

Sonnenkraft Österreich Vertriebs GmbH

GREENoneTEC Solarindustrie GmbH

Status

abgeschlossen