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Solarthermie interaktiv

Die Kraft der Sonne

Die Sonne bestrahlt die Erde mit einer viel größeren Energiemenge als der, die wir tagtäglich verbrauchen. Diese solare Energie kann beispielsweise zur Warmwasserbereitung genutzt werden. Für diesen Zweck wurden solarthermische Anlagen entworfen, die mithilfe der solaren Einstrahlung Brauchwasser erwärmen. In der interaktiven Simulation lässt sich die Funktionsweise und Effektivität einer Solarthermie erproben.

Solarthermische Anlage starten

In dieser Szenerie hat man sich für den Standort Freiburg entschieden, als Jahreszeit wurde Winter mit einem bewölkten Himmel gewählt. Der Flachkollektor weist eine Fläche von 10 Quadratmetern auf. Diese Konstellation deckt den Tagesbedarf an Warmwasser zu 23 %.

Grundlagen: Funktionsweise der solarthermischen Anlage

Eine solarthermische Anlage nutzt sowohl die direkte als auch die diffuse Strahlung. Der mögliche Wärmegewinn hängt von der Einstrahlung ab. Es wird in der Simulation davon ausgegangen, dass die Kollektoren nach Süden gerichtet, optimal geneigt und nicht verschattet sind.

Weil die Nutzungszeiten für warmes Wasser nicht mit den Zeiten der stärksten Einstrahlung übereinstimmen, ist die Wärmeisolierung des Speichers und der gesamten Anlage sehr wichtig. Zusätzlich ist an den Speichern ein Heizkessel angeschlossen, der bei Bedarf das Wasser aufheizt.

Folgende Parameter können in der interaktiven Solarthermie zur Gewinnung einer optimalen Warmwasserausbeute variiert werden:

Detailansicht der Solarthermie: Ein Haus mit Röhrenkollektoren

Diese Solarthermie besteht Röhrenkollektoren, die eine Fläche von 15 Quadratmeter einnehmen.

1. Standortwahl

Acht verschiedene Städte mit verschiedenen Breitengraden stehen zur Auswahl: Hamburg, Frankfurt, Freiburg, Genf, Madrid, Rom, Athen und Tunis.

Ob eine solarthermische Anlage sich lohnt, ist abhängig von den an einem Standort herrschenden klimatischen Bedingungen. Der Breitengrad bestimmt in hohem Maße, wie groß die Sonneneinstrahlung ist und somit die mögliche Warmwasserausbeute.

2. Jahreszeit

Die Erde wandert einmal pro Jahr um die Sonne. Die Erdachse ist gegenüber dieser Fläche, die bei dem Umlauf der Erde um die Sonne überstrichen wird, um 23° Grad gekippt. Diese Kippung ist verantwortlich für die Entstehung der Jahreszeiten.

Aus geometrischen Gründen ändert sich die Einstrahlung je nach Jahreszeit. Besonders stark ist die Änderung bei großen Breitengraden. In Äquatornähe sind die Unterschiede zwischen Winter und Sommer geringer.

3. Wetter

Neben dem Standort und der Jahreszeit hat vor allem das aktuelle Wetter entscheidenden Einfluss auf den momentanen Warmwassergewinn. Für jeden Standort stehen drei verschiedene Wettersituationen zur Wahl: sonnig, bewölkt und bedeckt. Ob eine solarthermische Anlage sich lohnt, entscheidet das durchschnittliche Wetter.

4. Art des Kollektors

Die Energieausbeute hängt direkt von der in den Kollektoren aufgefangenen Strahlung ab. Ein Teil davon wird wieder abgestrahlt oder geht durch Wärmeverluste verloren. Deshalb ist die Isolierung des Kollektors extrem wichtig.

Der am häufigsten verwendete Kollektortyp ist der Flachkollektor. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um eine flache Kiste, die mit einer Glasplatte abgeschirmt ist. Darin befindet sich die Absorberfläche mit eingebauten Wärmetauscherröhren.

Ein Röhrenkollektor besteht aus mehreren Röhren, in denen sich Absorber und Wärmeträgerröhren befinden. Das Vakuum in den Röhren verhindert den Wärmetransport und ist somit ein hervorragender Isolator. Vakuumröhrenkollektoren haben einen größeren Wirkungsgrad als Flachkollektoren, sind aber auch deutlich teurer.

Detailansicht der Solarthermie: Wasserausbeute

Die Auflistung der Warmwasserausbeute im Detail: Ausgegangen wurde in diesem Beispiel von einem durchschnittlichen Herbsttag in Athen. Die Anlage besteht aus Flachkollektoren, die eine Fläche von fünf Quadratmetern einnehmen.

5. Größe der Kollektorfläche

In der Simulation lassen per Schieberegler Kollektorflächen zwischen 1 und 15 Quadratmeter einstellen.

Fazit: Wasserausbeute pro Tag

Ausgegeben wird der Energiegewinn der Anlage, der in Form von erwärmtem Wasser zur Verfügung steht, in der Einheit Kilowattstunden. Die Wärmeverluste der Anlage sind schon abgezogen. Diese Energie ist notwendig, um eine entsprechende Wassermenge von 10°C auf 45°C aufzuheizen.

Bei der Ausgabe der Duschzeit und Badewannenfüllungen handelt es sich um andere Darstellungen des Energiegewinns. Die Deckung des Tagesbedarfs in Prozent geht vom Bedarf eines Vierpersonenhaushalts aus. Dieser wird hier mit einem Warmwasserverbrauch von 200 Litern pro Tag angesetzt. Weil im Durchschnitt nicht jedes Familienmitglied täglich duscht, reichen auch die scheinbar wenigen Minuten Duschzeit aus. Beim Duschen werden pro Minute ca. 14 Liter Wasser verbraucht.

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