Die Effizienz eines Solarkollektors hängt von einer Vielzahl zusammenwirkender physikalischer Einflussgrößen ab – Sonneneinstrahlung, Außentemperatur, Windgeschwindigkeit, Kollektorgeometrie, Strömungsführung und Wärmeübertragung an das Trägermedium. Eine rein experimentelle Auslegung ist kosten- und zeitintensiv und liefert nur punktuelle Erkenntnisse. Die numerische Strömungs- und Wärmesimulation (CFD) ermöglicht dagegen eine vollständige, räumlich aufgelöste Analyse des thermischen und strömungsmechanischen Verhaltens – für beliebige Betriebsbedingungen und Kollektorkonfigurationen.

Thermische Simulation: Aufwärmung unter realen Betriebsbedingungen

Wir bestimmen die Aufwärmung des Wärmeträgermediums in Solarkollektoren unter Berücksichtigung aller relevanten Umgebungseinflüsse – stationär für Auslegungsbetriebspunkte sowie transient für die Abbildung tages- und jahreszeitlicher Schwankungen:

• Solare Einstrahlung (Irradianz) – Variation der Globalstrahlung von bewölkten Bedingungen bis zur maximalen Direktstrahlung; Berücksichtigung des Einfallswinkels in Abhängigkeit von Kollektorneigung, geografischer Lage und Tageszeit
• Außentemperatur – Einfluss der Umgebungstemperatur auf Wärmeverluste über Abdeckscheibe, Rahmen und Rückseite des Kollektors; Simulation saisonaler Betriebspunkte von Winter bis Hochsommer
• Windgeschwindigkeit und -richtung – konvektive Wärmeverluste an der Kollektoroberfläche durch Umströmung; Identifikation kritischer Windangriffsflächen und aerodynamischer Druckverteilungen
• Wärmeverlustanalyse – Quantifizierung von Verlusten durch Konvektion, Strahlung und Wärmeleitung zur Ermittlung des thermischen Wirkungsgrades

Strömungstechnische Auslegung: Volumenströme und Druckverluste

Neben der thermischen Leistung ist die hydraulische Auslegung des Kollektors entscheidend für den Systemwirkungsgrad und die Betriebssicherheit. Eine ungleichmäßige Durchströmung der Absorberkanäle führt zu lokalen Überhitzungen, erhöhtem Verschleiß und reduziertem Wärmeertrag. Wir simulieren und optimieren:

• Volumenstromverteilung – gleichmäßige Durchströmung aller Absorberrohre oder -kanäle als Grundvoraussetzung für maximale thermische Effizienz; Identifikation und Behebung von Strömungsungleichgewichten
• Druckverlustberechnung – Bestimmung des Gesamtdruckverlustes über den Kollektor als Grundlage für die Auslegung der Umwälzpumpe und des Rohrleitungssystems
• Kanalgeometrie und Absorberdesign – Vergleich verschiedener Registergeometrien (Harfenregister, Mäanderregister, Plattenabsorber) hinsichtlich Druckverlust und Wärmeübertragungseffizienz
• Einfluss des Wärmeträgermediums – Wasser, Wasser-Glykol-Gemische oder Spezialfluide mit temperaturabhängigen Stoffeigenschaften

Kollektortypen und Anwendungsbereiche

Unsere Simulationsmethoden sind auf alle gängigen Solarkollektortechnologien anwendbar:

• Flachkollektoren – der am weitesten verbreitete Kollektortyp für Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung; Simulation der Glasabdeckung, Absorberplatte und Isolationsschicht
• Vakuumröhrenkollektoren – höhere Effizienz bei diffuser Strahlung und tiefen Außentemperaturen; Strömungs- und Wärmesimulation im Ringraum und im Wärmerohr (Heat Pipe)
• Konzentrierende Kollektoren (CPV/CSP) – Parabolrinnen, Fresnel-Kollektoren und Dish-Systeme für Prozesswärme und solarthermische Kraftwerke
• Luftkollektoren – direkte Erwärmung von Luft als Wärmeträger für Trocknungsanlagen, Gebäudelüftung oder landwirtschaftliche Anwendungen

Solarkollektorsimulation anfragen

Sie entwickeln einen neuen Kollektor, optimieren ein bestehendes Design oder planen ein Kollektorfeld für eine Industrie- oder Gebäudeanwendung? Sprechen Sie uns an – wir unterstützen Sie mit präziser CFD-Simulation von der ersten Konzeptidee bis zur serienreifen Auslegung.