Solarthermische Kälteerzeugung mit Parabolrinnenkollektorsystem und Dampfstrahlkältemaschine

Ein solarthermisches Kühlsystem bestehend aus einer Parabolrinnenkollektoranlage und einer Dampfstrahlkältemaschine wurde entwickelt. Die dafür notwendigen Komponenten wurden gebaut, einzeln getestet und im Anschluss in einer Pilotanlage am Teststand aufgebaut und betrieben.

Kurzbeschreibung

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

Bislang werden überwiegend „sorptive“ Kälteverfahren zur solaren Kühlung eingesetzt. Eine Alternative dazu stellt das Dampfstrahlkälteverfahren dar. Aufgrund der einfachen verfahrenstechnischen Ausführung einer Dampfstrahlkältemaschine (DSKM) und der Möglichkeit Wasser als Treibmittel und als Kältemittel einzusetzen, verspricht die DSKM eine hohe Betriebsverfügbarkeit und eine kostengünstige Realisierbarkeit. Wesentliche Vorteile der DSKM sind eine schnelle Ansprechzeit (d.h. ein gutes dynamisches Betriebsverhalten), gutes Teillastverhalten und ein einfaches Anlagenkonzept. Das Wärmeverhältnis (engl.: COP Coefficient of Performance) der DSKM ist umso höher, je niedriger die Kühlwassertemperatur ist. Zum Betrieb der DSKM wird Treibdampf benötigt, der mit Parabolrinnenkollektoren (PRK) erzeugt werden kann. Insbesondere PRKs können im Gegensatz zu konventionellen Flachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren auch bei Temperaturen deutlich über 100 °C noch Wärme mit einem guten Kollektorwirkungsgrad erzeugen.

Eine Reihe von in Frage kommenden Wärmeträgermedien wurde in der ersten Projektphase analysiert. Es konnte in diesem Projekt kein Medium gefunden werden, das problemlos sowohl in der Dampfstrahlkältemaschine als auch im Parabolrinnenkollektor eingesetzt werden kann. Daher wurde für den weiteren Projektverlauf entschieden, dass für das zu errichtende Gesamtsystem getrennte Kreisläufe eingesetzt werden. Dabei wird in der DSKM Wasser als Treibmittel und als Kältemittel eingesetzt. Die Parabolrinnenkollektoren arbeiten mit einem etwa 14%-igen Ammoniak-Wasser-Gemisch. Der Einsatz des Ammoniaks gewährleistet den Frostschutz, gleichzeitig ist aber auch eine Verdampfung im Kollektor möglich. Vorteile des Ammoniak-Wasser-Gemisches sind seine niedrige Viskosität, seine hohe Verdampfungsenthalpie und Wärmekapazität und sein niedriger Preis. Nachteile sind die Gesundheitsgefährdung (besonders relevant bei hohen Konzentrationen) und die Unvereinbarkeit mit Buntmetallen wie Kupfer, Messing, Aluminium etc. Gegenüber Stahl wirkt Ammoniak allerdings sogar korrosionshemmend und wird daher in geringen Konzentrationen häufig im Kraftwerksbau eingesetzt.

Der zur Direktverdampfung umgebaute Kollektor wurde mit dem Ammoniak-Wasser-Gemisch getestet. Dabei konnten erste Erfahrungen im Betrieb mit diesem Medium gewonnen werden. Anschließend wurde der Kollektor in mehreren Punkten weiterentwickelt.

Im Direktverdampfungsbetrieb wurden Schwierigkeiten bei der Leistungsmessung direktverdampfender Kollektoren deutlich. Gründe dafür sind die sehr geringen Durchflüsse bei der Direktverdampfung, wenn nur ein Kollektor getestet wird, und die Tatsache, dass man die Zusammensetzung des austretenden Dampfes kennen muss, um eine Energiebilanz erstellen zu können. Wenn der Dampf überhitzt ist, ist die Energiebilanz unproblematisch. Allerdings ist hier der Wärmeübergang zwischen Rohr und Medium sehr schlecht, so dass ein Betrieb im Nassdampfbereich sinnvoller ist. Bei Verwendung von Ammoniaklösung kann bei bekannter Konzentration durch Messung von Druck und Temperatur die Zusammensetzung des Mediums bestimmt werden. Beim Test des Gesamtsystems mit 10 Kollektoren wurde diese Methode angewendet, um den Wirkungsgrad des Kollektorfeldes zu bestimmen.

Die Konstruktion der Parabelform des Rinnenkollektors wurde im Vergleich zum Vorgängermodell komplett überarbeitet und besteht jetzt aus tiefgezogenen Aluminiumsegmenten. Mit Hilfe von optischer Messtechnik (aus der Anwendung in Kraftwerkskollektoren) wurde eine gute Formtreue der Spiegel festgestellt. Dadurch wurden das Designkonzept und die Herstellungsweise als gut geeignet bewertet. Dieses neue Konzept ist wesentlich einfacher, schneller und kostengünstiger in der Herstellung als die bisherige Bauweise aus Glas. Außerdem wurde das Gewicht des Kollektors dadurch deutlich reduziert.

Eine weitere Verbesserung ist die neue selektive Receiverbeschichtung, welche gute optische Eigenschaften besitzt und auch für Prototypen kostengünstig ist. Hier besteht aber noch Entwicklungsbedarf, um die Beschichtung noch zu verbessern und ihre Temperatur- und Langzeitstabilität sicherzustellen. Entgegen der ursprünglichen Planung wurde das Receiverhüllrohr nicht evakuiert sondern mit Edelgas befüllt. Die Evakuierung ließ sich mit den vorhandenen Mitteln im Projekt nicht realisieren. Die Edelgasfüllung bewirkt aber trotzdem eine signifikante Reduktion der Wärmeverluste.

Ein Kollektorfeld mit 10 Parabolrinnen wurde komplett mit Nachführung am Teststand aufgebaut und erfolgreich vermessen. Dabei konnte ein zuverlässiger Betrieb mit etwa 200°C Kollektorvorlauftemperatur gezeigt werden. Die Ansprechzeit des Kollektorfeldes ist extrem kurz. Schon knapp 2 Minuten nach Einschalten des Systems wird eine Temperatur von 200°C am Kollektoraustritt erreicht. Der thermische Wirkungsgrad der Kollektoren lag bei dieser Temperatur bei 50 bis 55%.

Ein Konzept für den Betrieb des Gesamtsystems bestehend aus Solarkollektorfeld und DSKM wurde erarbeitet. Eine vollautomatisierte DSKM mit einer Kälteleistung von 5 kWth wurde geplant, ausgelegt und gefertigt. Die DSKM wurde im Frühsommer 2009 an das schon im Vorjahr fertig gestellte Solarkollektorfeld bei der AEE INTEC in Österreich angeschlossen.

Die Dampfstrahlkältemaschine ist über zwei Wärmeübertrager an den Parabolrinnenkollektorkreis angekoppelt. Im ersten Wärmeübertrager wird der Ammoniak-Wasser-Dampf kondensiert und die Wärme an einen Heißwasserkreislauf zur Dampferzeugung abgegeben. Das Ammoniak-Wasser-Kondensat wird dann in einem weiteren Wärmeübertrager abgekühlt und damit das Speisewasser für den Dampferzeuger vorgewärmt. Die Rückkühlung der Kältemaschine erfolgt über einen Trockenrückkühler mit Besprühung. Mit Hilfe der Besprühung können Kühlwassertemperaturen unterhalb der Außenlufttemperatur gefahren werden. Die Besprühung erfolgt nur zeitweise und wird entsprechend der Differenz zwischen Feuchtkugeltemperatur und Außenlufttemperatur gefahren.

Die gesamte Anlage ist voll automatisiert. Die Kollektoren werden automatisch der Sonne nachgeführt. Beide Anlagenteile (Parabolrinnenkollektoren und DSKM) haben im Test zufrieden stellend funktioniert. Das Konzept hat sich als funktionstüchtig erwiesen. Allerdings gibt es auch noch bei beiden Anlagenteilen Optimierungsbedarf. Bei einigen Komponenten der Kollektoren ist ein besonderes Augenmerk auf die Langzeitstabilität zu richten.

Bei der Kältemaschine wären die nächsten Schritte eine Reduzierung des Bauvolumens und Reduktion des apparativen Aufwands. Das Ziel weiterer Entwicklungen wäre eine standardisierte Kältemaschine, die in Kooperation mit einem Industriepartner in Serie gefertigt werden kann.

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