Stratfied Solar Collector

Um das zukunftsträchtige Gebiet der industriellen Prozesswärme im Bereich zwischen 100 und 250 °C für die Solarthermie zu erschließen, sind günstige Kollektoren mit hohen Wirkungsgraden notwendig. Stark konzentrierende Systeme (Parabolrinnen, Fresnel-Kollektoren) haben zwar geringe thermische Verluste, setzten aber nur die Direktstrahlung um, und sind aufgrund der aufwendigen Nachführung teuer. Deshalb wird gerade der Ansatz verfolgt, günstigere Kollektoren ohne Nachführung zu entwickeln und den geforderten Wirkungsgrad durch eine Verringerung der Konvektionsverluste zur erreichen. Untersucht werden zurzeit CPC-Kollektoren, konvektionsblockierende Folien oder Edelgasfüllungen. Alle diese Konzepte versuchen aber nur die Konvektion abzuschwächen. Die eigentliche Ursache, die die Konvektion treibt, bleibt aber stets erhalten: der heiße Absorber liegt tiefer als die kalte Glasabdeckung. In dieser Sondierung wird ein radikal neues Kollektorkonzept zur vollkommenen Unterdrückung der Konvektion untersucht: durch den Einsatz nichtabbildender Optik soll die Strahlung im Kollektor so umgelenkt werden, dass der heiße Absorber höher als die kalte Glasabdeckung liegt. Die Umkehrung des Temperaturgradienten nimmt der Konvektion ihre treibende Kraft. Simulationsrechnungen aus der Literatur zeigen, dass in solchen Fällen eine stabile Schichtung (Stratifikation) der Luft entstehen kann und der konvektive Wärmeverlust auf den Wert der reinen Gaswärmeleitung einbricht. Ohne Konvektion verhält sich die Luft wie ein sehr gutes Isoliermaterial, was den Wirkungsgrad eines solchen Kollektors sehr stark erhöhen wird. Voruntersuchungen des AIT haben bereits gezeigt, dass es einfache Spiegel- und Absorbergeometrien gibt, die dieses Prinzip erfüllen und gleichzeitig optisch hoch effizient sind. Dies eröffnet die Möglichkeit einen Kollektor mit hohem Wirkungsgrad zu bauen, der Prozesswärme mit hoher Effizienz bereitstellen kann und trotzdem einfach konstruiert ist. Darüber hinaus kann der Kollektor so gefertigt werden, dass ein mechanisch stabiler Isolierwerkstoff gleichzeitig als Isolierung und als Träger von Spiegel und Absorber sowie als Gehäuse fungiert. Dies erlaubt eine einfache und kostengünstige Konstruktion mit hohem Vorfertigungsgrad. Da der Kollektor vertikal aufgestellt werden kann, ist er zudem perfekt für die Integration in eine Fassade geeignet. Obwohl es starke Hinweise (Voruntersuchungen, Literatur) für die Funktion eines solchen Kollektors gibt, muss die Machbarkeit dieses schützenswerten Konzepts erst durch detaillierte thermische Simulationen rechnerisch bewiesen werden. Ein Projekt der Industriellen Forschung ist daher noch zu risikoreich. Ziel dieser Sondierung ist es, Indikatoren zu erarbeiten, um die technische Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit des Konzepts für ein nachfolgendes Forschungsprojekts zu bewerten. Da eine aussagekräftige Beurteilung aber nur an einer Geometrie erfolgen kann, die thermisch und optisch schon nahe am Optimum liegt, muss diese zuerst mit einem Optimierungsverfahren automatisiert gesucht werden. Nach der Berechnung der Wirkungsgradkurve liefern Systemsimulationen das Potential, dass dieses Konzept zur Effizienzsteigerung hat, exemplarisch für zwei Anwendungsszenarien. Um die Wirtschaftlichkeit der Konstruktion zu bewerten, werden ein geeigneter Isolierwerkstoff und ein Fertigungsverfahren recherchiert und die Kosten in Relation zu konkurrierenden Systemen gestellt. Alle Ergebnisse, die im Laufe dieser Sondierung erzielt werden, werden vorrangig an die Österreichische Kollektorindustrie kommuniziert, mit der Absicht das angestrebte Projekt der Industriellen Forschung vorzubereiten, in dem ein Demonstrator eines thermisch geschichteten Kollektor experimentell untersucht wird.