PARASOL – Hydraulikdesign von parallelen Kollektormodulen in solarthermischen Großanlagen

Solarthermische Großanlagen in unterschiedlichen Anwendungen gewinnen im Bereich der nachhaltigen Generierung von Wärme national als auch international zunehmend an Bedeutung. Die österreichische Solarindustrie hat diese Entwicklung erkannt und nimmt auch international eine zentrale Position im Segment der Anlagen &gt,500 m² Kollektorfläche ein. Dies zeigen zahlreiche mit österreichischer Beteiligung realisierte große Anlagen und nicht zuletzt die im Moment in Bau befindliche, weltgrößte Solaranlage zur Versorgung eines neu errichteten Universitätsviertels in Riad (Saudi Arabien) mit 36.000 m² Kollektorfläche aus der Produktion eines im gegenständlichen Projekt beteiligten, österreichischen Kollektor¬produzenten. Angesichts des riesigen Marktpotenzials und der guten Positionierung österreichischer Unternehmen in diesem Bereich, ist es unbedingt erforderlich, verstärkt technologisches Grundlagenwissen in diesem Bereich aufzubauen. Ein zentraler technologischer Aspekt bei solarthermischen Großanlagen liegt in der Ge¬staltung der Hydraulik des Kollektorfeldes. Dies beginnt bei der Wahl der kollektorinternen Hydraulik und geht bis zur hydraulischen Ausgestaltung mehrerer Ebenen an Parallel¬schalt¬ungen (3 bis 4 hydraulische Ebenen sind in größeren Anlagen durchwegs üblich). Aktuell fehlt es aus der Sicht des Antragstellers an fundierten Berechnungsmethoden, die eine detaillierte und auch belastbare hydraulische Abbildung von großen Kollektorfeldern ermöglichen. Auf der ersten Hydraulikebene von Kollektoren (der Parallelschaltung von Absorberrohren) bewirken große Unterschiede in den Geometrien idealer T-Stücke (scharfkantig, definiert abgerundet) zu T-Stücken, die sich aus üblichen Fertigungspraktiken der Kollektorsammel¬leitungen ergeben (bis zu 10 mm Eindringtiefen der Absorberrohre konnten festgestellt werden!), keine zuverlässige Abbildung der Druckverlustverhältnisse und der Strömungs¬verteilung, da nur für erstere entsprechende mathematische Abbildungen existieren. Neben Leistungs¬einbußen können diese Details im Extremfall zu einem Erreichen der Siede¬temperatur in schlechter durchströmten Absorberrohren und somit zu einer partiellen Stagnation in einzelnen Kollektorfeldern führen. Dieser Hintergrund kann natürlich auch bei Kleinanlagen zum Tragen kommen, tritt aber erfahrungsgemäß wesentlich häufiger bei größeren Anlagen auf, da einerseits zumeist extreme Low-Flow Systeme umgesetzt werden und zusätzlich die (derzeit nicht genau errechenbaren) Grenzen bei der Zahl der parallel geschalteten Kollektoren aus Kostengründen ausgereizt werden müssen. Zusätzlich zu diesem Detailproblem liegen aktuell keine geeigneten Berechnungs¬möglichkeiten vor, die gesamten hydraulischen Rahmenbedingungen in einem großen Kollektorfeld abzubilden. Insbesondere liegen die Defizite in den Möglichkeiten eines großanlagen¬spezifischen theoretisch korrekten Kollektordesigns als auch bei den Möglichkeiten der Abbildung von Parallelschaltungen in mehreren hydraulischen Ebenen (Kollektoren, Zonen, Gruppen). Aus diesem Grund können bei größeren solarthermischen Anlagen einerseits energetische Potenziale und andererseits Kostenreduktions¬potenziale bei weitem nicht ausgeschöpft werden, was wiederum die Konkurrenzfähigkeit größerer solarthermischer Anlagen im Vergleich mit konventionellen Wärmeversorgungsanlagen deutlich reduziert. Vor diesem Hintergrund soll im gegenständlichen Projekt ein grundlegendes mathematisch-physikalisches Modell entwickelt und mittels angepasster Methoden (CFT, Labormessungen, Messungen an großen realen Kollektorfeldern) validiert werden, das zukünftig eine detaillierte hydraulische Abbildung von gesamten Kollektorfeldern in solarthermischen Großanlagen ermöglicht. Damit sollen insbesondere die Strömungs- und Temperaturverteilung, der Gesamtwirkungs¬grad sowie die Reibungsdruck¬verluste in allen hydraulischen Ebenen fundiert errechnet werden können. Damit würden die Grundlagen geschaffen werden, in weiterer Folge neue Möglichkeiten hinsichtlich eines fundierten Hydraulikdesigns von Kollektoren und Kollektorfeldern zu erreichen. Gleichzeitig würden diese Möglichkeiten eine rasche Markteinführung solarer Großanlagen unterstützen und die Technologieführerschaft Österreichs in diesem Segment weiter stärken.