Projektumfeld

Die Entwicklungen der vergangenen Jahre zeigten,
dass Verbesserungspotenziale bei Blech-Rohr-Absorbern
bestehen. Allerdings wurde nur nach Alternativen
für Fertigungsverfahren zur Anbindung des Wärmeträgerrohres
an das Strahlungsempfängerblech gesucht,
wie die Einführung des Ultraschall- bzw. Laserschweißens
zeigt. Der prinzipielle Aufbau des Absorbers bzgl.
thermodynamischen Verbesserungsmöglichkeiten
sowie konstruktiven Kosteneinsparpotenzialen wurden
hingegen kaum betrachtet. Ziel im Rahmen verschiedener
Forschungsprojekte am Kompetenzfeld
Erneuerbare Energien der Hochschule Ingolstadt war
es daher, eine Analyse der bestehenden Blech-Rohr-
Absorber durchzuführen und Verbesserungspotenziale
daraus in Form von Funktionsanalysen und einer
Spezifikation an einen neuen Absorber auszuarbeiten.
Diese Ergebnisse führten im Anschluss daran zu konstruktiven
Lösungen für alternative Absorberbauformen
mit großer Fläche für den Wärmeaustausch zwischen
Strahlungsempfängerblech und Wärmeträgermedium.
Die Entwicklung dieser sog. volumetrischen Absorber
[1] musste neben der Erschließung neuer Fertigungsverfahren
allerdings auch eine eingehende Untersuchung
der strömungs- und wärmetechnischen
Eigenschaften beinhalten. Erst eine weitgehend
gleichmäßige Strömungsverteilung in sämtlichen Kanälen
ermöglicht den Wärmeaustausch an das Wärmeträgermedium
in allen Bereichen des Absorbers. Im
Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft
und Arbeit (BMWA) geförderten Projektes beschäftigt
sich das Kompetenzfeld Erneuerbare Energien an der
Hochschule Ingolstadt in Zusammenarbeit mit der CitrinSolar
GmbH, Moosburg, mit der numerischen Simulation
und Optimierung der in vorhergehenden Projektabschnitten
entworfenen Konzepte.

Projektergebnisse

Erste Ergebnisse zu numerischen Simulationen mittels
CFD (Computational Fluid Dynamics) wurden in [2]
vorgestellt. Der Schwerpunkt lag hier auf der Darstellung
der Nutzung der CFD-Simulation im Bereich der
Absorbertechnik sowie dem Vergleich von Ergebnissen
mit gemessenen Werten. Im vorliegenden Beitrag
werden Optimierungen an der Kanalgeometrie des
volumetrischen Absorbers vorgestellt. Ziel ist es, eine
gleichmäßige Strömungsverteilung bereits in geringem
Abstand von den Ein- bzw. Auslassanschlüssen
zu erhalten. Dazu wurden die geometrischen Randbedingungen
des Absorbers berechnet und über
Verknüpfungen an die parametrische CAD-Geometrie
übergeben. Dies ermöglicht eine schnelle Parametervariation
an der Geometrie bzw. deren reibungslosen
Export in die CFD-Software zur Vernetzung und Simulation.
Die Randbedingungen ergeben sich zum Teil
aufgrund der geometrischen Struktur, hauptsächlich
jedoch aus den Fertigungsbedingungen des Rollbond-
Verfahrens. Damit werden Ränder auf Basis der Absorberaußenmaße,
minimale bzw. maximale Kanalbreiten
sowie davon abhängige Inselgrößen festgelegt.

Abbildung 1 zeigt diesbezüglich einen Auszug der
grundsätzlichen geometrischen Anforderungen an
das Rollbond-Bauteil. Eine beliebige Variation der Kanalbreiten
zur Beeinflussung der Strömungsverteilung
ist aufgrund der minimalen bzw. maximalen Beschränkung
nicht möglich und darüber hinaus auch von den
Inselmaßen abhängig. Inseln stellen Bereiche dar,
die zwischen den Kanälen liegen und das obere mit
dem unteren Absorberblech verbinden. Die minimalen
Inselmaße werden durch die angrenzenden Kanäle
bestimmt. Abbildung 2 zeigt den prinzipiellen geometrischen
Aufbau des Rollbond-Absorbers.

Ausgangssituation für die Untersuchung bzw. Optimierung
der Strömungsverteilung ist eine Kanalstruktur mit
einer gleichmäßigen Querschnittsgeometrie in sämtlichen
Kanälen. Die gewählte Kanalbreite entspricht
in diesem ersten Schritt der maximalen Kanalbreite,
so dass die Strömung durch die Struktur einen möglichst
geringen Druckverlust erzeugt. Die Aufbringung
und Art der Randbedingungen ist in [2] erläutert. Eine
Veränderung der applizierten Randbedingungen innerhalb
der verschiedenen Optimierungssimulationen
findet nicht statt, es werden lediglich geometrische Parameter
an der Absorberstruktur verändert. Abbildung
3 zeigt die Strömungsverteilung der Ausgangsstruktur
des volumetrischen Absorberkonzeptes in verschiedenen
Querschnitten.
Es ist erkennbar, dass die Struktur des Einlassbereichs,
die im Übergang zu den geraden Steigkanälen
endet, bereits zu einer Verbesserung der Strömungsverteilung
führt. Die Strömungsverteilung in der darauffolgenden
Ebene_11 zeigt eine qualitativ bessere
Strömungsverteilung als in der Regel in Harfenabsorberregistern
vorherrschend ist [2]. Allerdings weisen
die Strömungsverteilungen innerhalb der Ein- bzw.
Auslassstruktur eine größere Abweichung zur gleichmäßigen
Strömungsverteilung auf, wie Ebene_06 und
Ebene_16 in Abbildung 3 zeigen. Ziel ist es daher, die
Kanalquerschnitte mittels der Kanalbreiten derartig zu
verändern, dass eine verbesserte Strömungsverteilung
schneller und mit einer höheren Qualität erreicht wird.

Abbildung 4 zeigt diesbezüglich die Strömungsverteilung
der optimierten Absorberkanalstruktur. Durch die
Anpassung der Kanalquerschnitte in den Ein- sowie
den Auslassbereichen konnte die bereits akzeptable
Strömungsverteilung in Ebene_11 weiter optimiert werden.
Darüber hinaus stellt sich in Ebene_06 im Einlassbereich
bzw. Ebene_16 im Auslassbereich früher ein
homogenerer Zustand der Strömungsverteilung ein.
Um die Vergleichbarkeit der Abbildung 3 und Abbildung
4 zu verbessern, besitzen beideDiagramme eine
gleiche Skalierung der Ordinate.

Neben einer gleichmäßigen Strömungsverteilung und
damit einer gleichmäßigen Übertragung der thermischen
Energie auf das Wärmeträgermedium ist darüber
hinaus für den Betrieb des Absorbers der Druckverlust
wichtig.
Die Veränderung des Druckverlustes durch die Anpassung
der Kanalgeometrie ist in Abbildung 5 dargestellt.
Die Veränderung der Kanalbreiten in den diversen Ebenen
entlang der Absorberlänge bedingen, im Vergleich
zur Ausgangsstruktur, unterschiedliche Druckverluste
in den Abschnitten und somit einen höheren Druckverlust
der Gesamtstruktur

Neben numerischen Simulationen, die bereits sehr
früh in der konstruktiven Entwicklung der Absorberkonzepte
eingesetzt werden können, sind jedoch experimentelle
Untersuchungen der optimierten Absorber
unerlässlich. Aufgrund der zunächst nicht exakt
definierbaren Querschnittsform der Kanäle in den verschiedenen
Kanalabschnitten wurde für sämtliche Kanäle
zunächst eine Rechteckform angenommen. Die
Querschnittsform der Kanäle hängt von der Kanalbreite,
der Kanalhöhe und dem Betriebsdruck ab. Eine detaillierte
Modellierung der Kanalquerschnitte ist selbst
bei bekannter Querschnittsform aus der Fertigung
nur schwer umsetzbar, da die Zellanzahl zur ausreichenden
Auflösung, speziell in den Ausrundungen und
Ecken, eine limitierende Größe bzgl. Speicher und vor
allem Rechenleistung darstellt. Darüber hinaus können
Fertigungsungenauigkeiten und weitere Formeinflüsse
nur am realen Objekt festgestellt werden.

Weitere Vorgehensweise

Nach Abschluss der Optimierungen im Rahmen der
numerischen Simulation sowie der Fertigung der ersten
Prototypen werden folgende, die numerischen
Simulation ergänzende bzw. unterstützende Untersuchungen
im Labor für Energie- und Solartechnik der
Hochschule Ingolstadt durchgeführt:

• Untersuchung der Strömungs- bzw. Temperaturverteilung
  mittels Thermographie (unter Berücksichtigung
  der Randbedingungen aus den Simulationen),
• Aufzeichnung der Druckverlustkurve des optimierten
  volumetrischen Absorbers und Gegenüberstellung
  mit Absorberstrukturen auf dem Stand der
  Technik (Harfen bzw. Mäanderabsorber) sowie Abgleich
  mit der Simulation,
• Wirkungsgradvermessungen am Sonnensimulator;
  Vergleich verschiedener Absorberbauarten mit
  dem optimierten volumetrischen Absorber.
  Die Untersuchungen dienen zum Vergleich mit den Simulationsergebnissen
  und zur weiteren Optimierung
  am realen Bauteil.

Literaturverzeichnis

[1] Treikauskas F.-D., Zörner W., Hanby V.: Konzeptentwicklung
von Absorbern für solarthermische Flachkollektoren,
16. Symposium Thermische Solarenergie,
Staffelstein, 2006.

[2] Treikauskas F.-D., Zörner W., Hanby V.: Strömungssimulation
von volumetrischen Absorbern, 17. Symposium
Thermische Solarenergie, Staffelstein, 2007.

[3] Schäfer A.: Prüfbericht KTB-2006-42.pdf, Fraunhofer
Institut für solare Energiesysteme, Freiburg, 2006.

[4] Hermann, M.: Bionische Ansätze zur Entwicklung
energieeffizienter Fluidsysteme für den Wärmetransport,
Dissertation, Universität Karlsruhe, 2005.