TY - RPRT A1 - Reiter, Christoph A1 - Trinkl, Christoph A1 - Zörner, Wilfried T1 - Kunststoffe in solarthermischen Kollektoren - Anforderungsdefinition, Konzeptentwicklung und Machbarkeitsbewertung BT - Abschlussbericht im Forschungsvorhaben Solarthermie2000plus N2 - Die Hersteller von Solarwärmeanlagen bemühen sich stetig um die Senkung der Herstellkosten, vor allem des Solarkollektors, des weithin sichtbaren „Herzstücks“ jeder Solarwärmeanlage. Massiv steigende Weltmarktpreise für die hauptsächlich eingesetzten Werkstoffe Aluminium und Kupfer laufen den Bemühungen nach weiteren Kostensenkungen in der Kollektorfertigung aber leider entgegen. Der Einsatz von alternativen Werkstoffen, wie etwa Kunststoffen, für Solarkollektoren wird daher als vielversprechend angesehen. Die Verwendung von Kunststoffen im Solarkollektorbau kann dabei gleich mehrere Vorzüge bieten. Neben der Einsparung von kostspieligem Kupfer und/oder Aluminium sind mit den polymeren Materialien durch eine mögliche Gewichtsreduzierung gleichzeitig auch Vorteile bei der Montage verbunden. Durch Nutzung moderner Fertigungstechnologien von Kunststoffformteilen kann zudem die Kollektorfertigung automatisiert und damit die Kosten weiter gesenkt werden. Allerdings sind mit dem Einsatz von Kunststoffen bei den thermisch oft hoch belasteten Solarkollektoren auch technologische Herausforderungen verbunden. So stellen beispielsweise die begrenzte Temperatur-, Druck-, UV- und Langzeitbeständigkeit sowie die gegenüber Kupfer schlechtere Wärmeleitfähigkeit kostengünstiger Kunststoffe hohe Hürden für deren Einsatz in Solarkollektoren dar. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden zunächst die auftretenden Temperaturlasten an den Kollektorbauteilen im Feldtest im Detail erfasst und in Jahreshistogrammen analysiert. Dabei erreicht der im System eingebundene Absorber Temperaturen von bis zu 192°C. Ein dauerhaft stagnierender Referenzabsorber erreicht 208°C und verweilt über 1.100 Stunden im Jahr auf einem Temperaturniveau von mehr als 95°C. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit einer Reduktion oder im besten Fall einer aktiven Kontrolle der auftretenden Temperaturbelastungen an einigen Bauteilen, wie etwa dem Absorber. Desweiteren wird aber auch deutlich, dass für sämtliche Gehäusebauteile die Temperaturbelastung nicht die zentrale Hürde für den Kunststoffeinsatz darstellt. Zusammenfassend zeigt sich in den Messungen, dass im Hinblick auf Werkstoffspezifikationen eine sehr diversifizierte Betrachtung der Temperaturverläufe auf Bauteilebene erforderlich ist, anstelle der Angabe einer einheitlichen Maximaltemperatur für den gesamten Kollektor. Anschließend wurden sowohl verfügbare als auch potenzielle Überhitzungsschutzmaßnahmen für solarthermische Kollektoren erfasst und hinsichtlich ihrer Wirkmechanismen systematisiert. Ausgewählte Maßnahmen wurden in einer Simulation unter Nutzung eines speziell entwickelten, dynamischen Kollektormodells auf ihr Einsatzpotenzial hin untersucht. Es zeigt sich. dass eine nennenswerte Reduktion der thermischen Belastung an den Kollektorbauteilen u.a. ohne Einbuße des Anlagenertrages mit verschiedenen Maßnahmen prinzipiell durchaus erreichbar ist und vor allem perspektivisch erreicht werden kann. Das bedeutet, es werden Lösungswege aufgezeigt um den Einsatz neuer Werkstoffe wie etwa kostengünstiger Massenkunststoffe sogar am Absorber, also dem aus Sicht der Temperaturbelastung kritischsten Bauteil, realisieren zu können. Die dargestellten Simulationsergebnisse zeigen darüber hinaus einerseits die Zielparameter für die zweifelsfrei noch erforderliche Entwicklung, andererseits aber auch das Anwendungspotenzial einzelner Lösungen wie etwa den thermochromen Schichten auf, das in der Zukunft in jedem Fall zu heben ist. Auf Basis dieser Ergebnisse wurden Konzepte für Kunststoffkollektoren unter Nutzung adäquater Fertigungsverfahren entwickelt, um die Umsetzungs- und Gestaltungsmöglichkeiten aufzuzeigen. Abschließend wurden diese Konzepte hinsichtlich der Herstellkosten mit Standard-Flachkollektoren verglichen, wobei Kunststoffkollektoren neben den Vorteilen bei der Montage und Installation ein Kostensenkungspotenzial von bis zu 50% Prozent aufweisen können. KW - Solarthermie Y1 - 2011 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-49 ER - TY - JOUR A1 - Reiter, Christoph A1 - Trinkl, Christoph A1 - Zörner, Wilfried A1 - Hanby, Victor Ian T1 - A Dynamic Multinode Model for Component-Oriented Thermal Analysis of Flat-Plate Solar Collectors JF - Journal of Solar Energy N2 - A mathematical model of a flat-plate solar collector was developed on the basis of the physical principles of optics and heat transfer in order to determine collector’s component temperatures as well as collector efficiency. In contrast to many available models, the targeted use of this dynamic model is the detailed, theoretical investigation of the thermal behaviour of newly developed or adjusted collector designs on component level, for example, absorber, casing, or transparent cover. The defined model is based on a multinode network (absorber, fluid, glazing, and backside insulation) containing the relevant physical equations to transfer the energy. The heat transfer network covers heat conduction, convection, and radiation. Furthermore, the collector optics is defined for the plane glazing and the absorber surface and also considers interactions between them. The model enables the variation of physical properties considering the geometric parameters and materials. Finally, the model was validated using measurement data and existing efficiency curve models. Both comparisons proved high accuracy of the developed model with deviation of up to 3% in collector efficiency and 1 K in component temperatures. UR - http://dx.doi.org/10.1155/2015/280694 Y1 - 2015 UR - http://dx.doi.org/10.1155/2015/280694 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-9637 SN - 2314-6230 VL - 2015 PB - Hindawi Publ. CY - New York; Cairo ER - TY - JOUR A1 - Reiter, Christoph A1 - Brandmayr, Sebastian A1 - Trinkl, Christoph A1 - Zörner, Wilfried A1 - Hanby, Victor Ian T1 - Performance Optimisation of Polymeric Collectors by Means of Dynamic Simulation and Sensitivity Analysis JF - Energy Procedia N2 - A dynamic flat-plate collector model for parametric sensitivity studies on polymer-based collector designs was developed. Validation using experimental results of conventional flat-plate collectors showed satisfying results especially regarding the calculation of individual part temperatures of a collector. The model was used to predict system efficiency as well as individual part temperatures in order to analyse a polymeric collector approach in comparison to a conventional collector. The simulation results showed that the fractional energy savings of systems with conventional flat-plate collectors cannot be reached with the analysed polymeric collector approach. Also the stagnation temperatures of more efficient approaches are too high for low-cost polymeric materials. The exemplary analysis of annual temperature loads of the backside insulation for different approaches proved the necessity of careful collector design aiming at temperature reduction for all individual collector parts. UR - https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.02.023 KW - mathematical model KW - simulation KW - flat-plate collector KW - collector efficiency KW - stagnation temperature KW - polymeric materials Y1 - 2014 UR - https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.02.023 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-23625 SN - 1876-6102 N1 - Part of special issue: "Proceedings of the 2nd International Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and Industry (SHC 2013)" VL - 2014 IS - 48 SP - 181 EP - 191 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER -