Wie weit ist die Entwicklung von. Kollektoren? Prof. Matthias Rommel. Institutsleiter SPF Institut für Solartechnik. Hochschule für Technik.

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1 Wie weit ist die Entwicklung von photovoltaisch-thermischen-thermischen Kollektoren? Prof. Matthias Rommel Institutsleiter SPF Institut für Solartechnik Hochschule für Technik Rapperswil HSR Schweiz 1

2 SPF Institut für Solartechnik an der HSR ca. 35 Wissenschaftler und Ingenieure 40% in Abteilung Testing 60% in Abteilung Research

3 Wofür verwenden wir wieviel Energie in unseren Haushalten? Quelle: Energie BFE, Analyse des Schweizerischen verbrauchs , Dezember 2010

4 Wofür brauchen wir Energie in der Schweiz? 30 % Transport 17 % Strom 53% Wärme Quelle: Energie BFE, Analyse des Schweizerischen verbrauchs , Dezember 2010

5 Entwicklung von PV-T Kollektoren Alle Gebäude benötigen Elektrizität und Wärme. PV-Zellen wandeln nur etwa 15% der Solarstrahlung in Elektrizität um, etwa 75% gehen in Form von Wärme an die Umwelt verloren. Solarstrahlung wird durch PVT- Kollektoren am effizientesten genutzt. In der Zukunft muss Solarstrahlung, die In der Zukunft muss Solarstrahlung, die auf die Gebäudehülle trifft, so effizient wie möglich genutzt werden für: -Elektrizität -Wärme - Tageslichtnutzung.

6 Spektrale Eigenschaften einer Silizium Solarzelle 1.8 Irradiance [W W/m²/nm] Spectral AM 1.5 solar spectrum Reflection ~10% Reflection Absorption PV conversion Absorption Reflected Wasted into heat ~74% ~90% PV conversion ~16% Wavelength [nm] Graphical representation based on actual measurements (reflection, EQE and I-V) Source: Dupeyrat, Fraunhofer ISE

7 Spektrale Eigenschaften einer Silizium Solarzelle 1.8 Irradiance [W W/m²/nm] Spectral AM 1.5 solar spectrum Reflection ~10% Reflection Absorption PV conversion Absorption Reflected Wasted into heat ~74% ~90% PV conversion ~16% 0 Sichtbares Licht Wavelength [nm] Graphical representation based on actual measurements (reflection, EQE and I-V) Source: Dupeyrat, Fraunhofer ISE

8 Spektrale Eigenschaften einer Silizium Solarzelle 1.8 Irradiance [W W/m²/nm] Spectral AM 1.5 solar spectrum Reflection ~10% Reflection Absorption PV conversion Absorption Reflected Wasted into heat ~74% ~90% PV conversion ~16% Wavelength [nm] Graphical representation based on actual measurements (reflection, EQE and I-V) Source: Dupeyrat, Fraunhofer ISE

9 Technische Herausforderung: Wärmeübergang von der Zelle ins Fluid Glasabdeckung des Moduls Einbettungsmaterial (EVA) Solarzellen Einbettungsmaterial (EVA) T m Modulrückseite Kleber Grosser Wärmeflusswiderstand zwischen Solarzelle und Kollektorfluid Direkte Laminierung der Solarzelle auf das metallische Wärmeleitblech Absorber Konstruktionen mit hohen F' Faktoren (keine Finne-Rohr Konstruktionen sondern möglichst vollflächig durchströmte Bleche)

10 Source: Dupeyrat, Fraunhofer ISE PVT-Versuchskollektor

11 Thermische und elektrische Leistung des PVT - Versuchskollektors Thermal efficiency [-] Cur rrent [A] (Tm - Tamb) / G [m².k/w] Voltage [V] Source: Dupeyrat, Fraunhofer ISE

12 Simulationsergebnisse für den Versuchskollektor in einer konkreten Warmwasseranlage in Lyon Ergebnis: Mit PVT-Kollektor wird von der Dachfläche 13% mehr erneuerbarer Strom produziert bei gleichem Wärmegewinn. PV-T Collectors and PV modules Thermal Collectors and PV modules Q elec(total) F sav PES Exergy Avoided CO 2 [kwh] [-] [kwh] [kwh/m²] [t(co2)/year] Source: Dupeyrat, Fraunhofer ISE

13 Unabgedeckte PVT-Kollektoren in Kombination mit Wärmepumpe und Erdsondenspeicher

14 Die Wärmeleistung von unabgedeckten PVT- Kollektoren können noch deutlich verbessert werden, sowohl als Kollektoren als auch als Luft-Sole Wärmetauscher Wirkungsg grad η (T - 2 m T amb )/G in (K m )/W Source: Bertram, ISFH, OTTI 2010

15 Entwicklung von unabgedeckten PVT-Kollektoren am SPF Messungen an unabgedckten PVT- Kollektoren im Solarsimulator-Labor des SPF

16 Neue Herausforderungen durch Kondensation und Vereisung

17 Test von Komplettsystemen Solarthermie plus Wärmepumpe 21

18 Test von Komplettsystemen Solarthermie plus Wärmepumpe 22

19 Test von Komplettsystemen Solarthermie plus Wärmepumpe Klimakammer mit Wärmepumpe 23

20 Abnahme, Lieferung und Installation 40 Jahre Weiss Technik AG, 28. Sep Anlieferung Dr. Michel Haller, SPF Research 24

21 Abnahme, Lieferung und Installation 40 Jahre Weiss Technik AG, 28. Sep Abladen Dr. Michel Haller, SPF Research 25

22 Abnahme, Lieferung und Installation Der Weg in die Maschinenhalle der HSR 40 Jahre Weiss Technik AG, 28. Sep Dr. Michel Haller, SPF Research 26

23 Klimakammer mit Luft-Wasser-Wärmepumpe

24 Gebäude mit Heiz- und Warmwasserbedarf Kollektoren auf dem Dach

25 Der Kurzzeitteststand des SPF: Concise Cycle Test CCT

26 Keller mit allen Original-Installationen 30

27 Der Kurzzeitteststand des SPF: Concise Cycle Test CCT Installation und Betrieb des gesamten Systems: Energiespeicher Luft-Wasser Wärmepumpe Steuerung und Regelung Emulation der Solarkollektoren Emulation des Warmwasser- und Heizungsbedarfs 12-Tage Test mit allen dynamischen Systemzuständen Simulation der Leistung des Heizsystems an verschiedenen Standorten (Zürich, Stockholm, Paris, Graz.)

28 Die wichtigste Entwicklungsaufgabe der nächsten Jahre ist die Kombination der verschiedenen erneuerbaren Techniken

29 Stand der Entwicklung von PVT-Kollektoren PVT-Kollektoren müssen als wirklich neue Strahlungsenergiewandler entwickelt werden (und nicht als das Zusammenbasteln von PV-Modulen mit thermischen Wärmeübertragungsblechen) Zwei wesentliche Entwicklungslinien: 1. Abgedeckte PVT-Kollektoren zur Warmwasserbereitung: In Mitteleuropa für Grossanlagen mit niedrigem solaren Deckungsanteil (MFH) In Südeuropa für Warmwasseranlagen (EFH) 2. Unabgedeckte PVT-Kollektoren zur Kombination mit Wärmepumpen

30 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!