Partielle Stagnation in großen Solaranlagen – Entstehung und Wirkung
Partielle Stagnation bezeichnet die Verdampfung des Wärmeträgerfluids innerhalb eines solarthermischen Kollektors im durchströmten Zustand, d.h. bei gleichzeitig vorliegender Nutzwärmeabfuhr. Damit ist die partielle Stagnation klar vom Zustand der vollständigen Stagnation abgegrenzt, bei der keine erzwungene Zirkulation des Wärmeträgers im Solarkreis stattfindet. In direkt durchströmten Sonnenkollektoren tritt partielle Stagnation dann auf, wenn die Temperatur des Fluids an einer oder mehreren Stellen die Siedetemperatur überschreitet. Hierzu muss der Kollektor ein hohes Temperaturniveau bei gleichzeitig vorhandener ungleichmäßiger Temperaturverteilung aufweisen. Die Temperaturverteilung kann durch ungleichmäßige Durchströmung oder durch die Kollektorkonstruktion selbst hervorgerufen werden. Zugleich muss zum Erreichen der Siedetemperatur eine hohe Eintrittstemperatur, ein geringer Massenstrom, ein geringer Druck am Kollektorfeld und/oder eine hohe Einstrahlungstärke vorhanden sein.
Abb. 54: Der Versuchsaufbau am Testdach 3 des ISFH.
Im Rahmen eines Forschungsprojekts wird die Solaranlage des Bundespresseamtes (BPA) in Berlin untersucht. Der Kollektorertrag der 260 m2 großen Anlage liegt deutlich unter dem erwarteten Wert. Außerdem wurde in einigen Kollektoren der Anlage das Auftreten von partieller Stagnation festgestellt. Vermutlich führt die partielle Stagnation in der BPA-Anlage zumindest teilweise zum verminderten Kollektorfeldertrag.
Abb. 55: Typische Temperaturverläufe bei einem der Versuche zur Erzeugung partieller Stagnation.
Aus diesem Grund ist am ISFH der Zustand der partiellen Stagnation an einer direkt durchströmten Koaxial-Vakuumröhrenkollektorgruppe mit der Zielsetzung untersucht worden, die Entstehungsbedingungen zu ermitteln und die Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit der Kollektoren zu bestimmen. Es wurden hierzu zahlreiche Messungen an einer Kollektorgruppe aus zwei Modulen mit parallel verschalteten Röhren bei horizontaler Kollektorneigung auf dem neuen Testdach 3 des ISFH durchgeführt (Abb. 54). Zur genauen Analyse wurden alle 60 Röhren am Austritt mit Temperatursensoren versehen.
Mit einem Hochtemperatur-Teststand konnten die Eintrittstemperatur und der Massenstrom für die Kollektorgruppe in einem weiten Bereich variiert werden. Dadurch war es möglich, gezielt partielle Stagnation unterschiedlicher Intensität und Dauer zu erzeugen. Ferner wurden Variationen der Anschlussart, d.h. ein- oder beidseitiger Anschluss, des Betriebsdruckes und der Gasbeladung* vorgenommen.
Abb. 56: Die Massenstromverteilung bei einem Gesamtmassenstrom von 500 kg/h in einer Kollektorgruppe bestehend aus 60 Röhren.
Durch Reduktion des Massenstroms bei einer konstanten Kollektoreintrittstemperatur von 80°C wurde der Mindest-Massenstrom ermittelt, bei dessen Unterschreitung in einer der Röhren partielle Stagnation auftritt. Beispielhaft ist das Verfahren in Abb. 55 dargestellt.
Der Massenstrom wurde hier bis auf 220 kg/h gesenkt. Die Austrittstemperaturen vom Kollektor und den Einzelröhren folgen dem Verlauf der Globalstrahlung. Bei einer Einstrahlung von 820 W/m2 steigt die Temperatur in einer der Röhren sprunghaft an. Bei diesem Messpunkt bildet sich lokal Dampf – dies ist der Beginn der partiellen Stagnation. Die Wärmeabfuhr in dieser Röhre war schon vorher durch einen sehr geringen Röhrenmassenstrom eingeschränkt und die entstandene Dampfblase drückt das sehr heiße Fluid aus der Röhre in den Sammler, wo der Dampf kondensiert.
Abb. 57: Massenströme in Abhängigkeit von der Globalstrahlung bei drei verschiedenen Gasbeladungen des Fluids. Unterhalb der für eine Gasbeladung bestimmten Massenströme setzt partielle Stagnation ein.
Durch die Kondensation strömt erneut Fluid mit Kollektoreintrittstemperatur in die Röhre und der Prozess wiederholt sich bei gleichbleibenden Randbedingungen, d.h. bei hoher Einstrahlung in Verbindung mit geringem Röhrenmassenstrom. Die partielle Stagnation tritt dabei in denjenigen Röhren auf, in denen der geringste Massenstrom vorhanden ist. Die Massenstromverteilung innerhalb der Kollektorgruppe ist ungleichmäßig, sie stellt sich durch die für jede Röhre unterschiedlichen Druckverluste im Verteiler bzw. Sammler ein. In Abb. 56 ist dieser Fall für eine einseitig angeschlossene Kollektorgruppe aus 60 Röhren bei einem Gesamtmassenstrom von 500 kg/h dargestellt. Diese Verteilung ist indirekt über Röhrenaustrittstemperaturmessungen aus mehr als 40 Versuchen ermittelt worden.
Während die Röhre am Kollektoranschluss den höchsten Massenstrom aufweist, erreicht der Massenstrom in der vom Anschluss am weitesten entfernt liegenden Röhre nur etwa 30% dieses Werts.
Abb. 58: Die Wirkungsgradkurve bei 900 Wm-2. Eingezeichnet wurde der Bereich der erweiterten Unsicherheit sowie Wirkungsgrade beim Auftreten partieller Stagnation mit Tin ≈ 120°C.
Mit den oben beschriebenen Verfahren kann der Massenstrom für unterschiedliche Bestrahlungsstärken beim erstmaligen Auftreten von partieller Stagnation ermittelt werden. In Abb. 57 sind die so bestimmten Massenströme bei drei unterschiedlichen Gasbeladungen des Wärmeträgers in Abhängigkeit von der Globalstrahlung aufgetragen. In den durchgeführten Versuchen wurde festgestellt, dass
- eine hohe Gasbeladung des Fluids,
- eine einseitige Kollektorverschaltung und
- ein geringer Betriebsdruck
das Entstehen von partieller Stagnation begünstigen. Diese Abhängigkeiten konnten für die untersuchte Verschaltung, die am Bundespresseamt vorliegt, quantifiziert werden.
An der Kollektorgruppe wurde zudem die Auswirkung der partiellen Stagnation auf die Leistungsfähigkeit untersucht. Hierzu wurde der Kollektorwirkungsgrad beim Auftreten von partieller Stagnation unterschiedlicher Intensität ermittelt und mit einer Wirkungsgradkurve verglichen, die zuvor im Rahmen einer Leistungsmessung in Anlehnung an die EN 12975-2 an den Versuchskollektoren bestimmt wurde. In Abb. 58 ist beispielsweise die Wirkungsgradkurve bei 900 W/m2 zusammen mit der erweiterten Unsicherheit** dargestellt. Die zusätzlich eingezeichneten Wirkungsgradpunkte bei partieller Stagnation liegen innerhalb des Unsicherheitsbereichs der Wirkungsgradkurve ohne partielle Stagnation, so dass hier eine signifikante Wirkungsgradminderung durch partielle Stagnation nicht erkennbar ist.
Bei einem spezifischen Massenstrom, der identisch mit dem der Solaranlage des Bundespresseamtes ist, konnte in allen Versuchen bei partieller Stagnation kein Wirkungsgradverlust festgestellt werden. Daher ist davon auszugehen, dass das Auftreten von partieller Stagnation in der BPA-Anlage keine Kollektormindererträge verursacht.
* Die Gasbeladung gibt die im Wärmeträger gelöste Gasmenge (Luft) gemessen bei 20°C an.** Die erweiterte Unsicherheit wurde hier mit zweifacher Standardabweichung berechnet; dies entspricht einem Konfidenzintervall von 95,45%