Entwicklung von PVT-Kollektoren: ein Überblick

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1 Entwicklung von PVT-Kollektoren: ein Überblick Prof. Matthias Rommel Institutsleiter SPF Institut für Solartechnik Hochschule für Technik Rapperswil HSR Schweiz

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

3 Entwicklung von PV-T Kollektoren Alle Gebäude benötigen Elektrizität und Wärme. PV-Zellen wandeln nur etwa 16% 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 (Fenster).

4 Quelle: Sonne Wind und Wärme 8/2010 PVT = Solare Wärme-Kraft-Kopplung

5 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

6 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 Konstruktionen)

7 Möglichkeiten für optische Verbesserungen, weil keine Glasabdeckung für den PVT Absorber notwendig ist! Glasabdeckung des PV-T Absorbers PV-T Absorber Glas Abdeckung Wärmedämmung Glasabdeckung für den PVT Absorber b ist nicht notwendig: 1. Wegen der mechanischen Stabilität durch Metallabsorber 2. Schutz gegen Hagelschlag und mechanische Lasten durch die Kollektorverglasung

8 Möglichkeiten für optische Verbesserungen, weil keine Glasabdeckung für den PVT Absorber notwendig ist! FEP-Folie bringt 3% höheren Absorptionsgrad des PV-T Absorbers PV-T Absorber Glas Abdeckung Wärmedämmung Glasabdeckung für den PVT Absorber b ist nicht notwendig: 1. Wegen der mechanischen Stabilität durch Metallabsorber 2. Schutz gegen Hagelschlag und mechanische Lasten durch die Kollektorverglasung

9 PVT-Versuchskollektor 9 Source: Dupeyrat, Fraunhofer ISE

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

11 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

12 Entwicklung abgedeckter PVT-Kollektoren η 0 -Werte im Bereich von 0.80 können erreicht werden: vollflächig durchströmte Absorber mit guten F'-Werten Direktlamination der Zellen auf den Absorber FEP-Folie (n=1.3) anstelle von Glas (n=1.5) Antireflexglas als Kollektorabdeckung Damit können die thermischen Leistungen von nicht- selektiven Flachkollektoren erreicht werden. low-e Schichten auf der Unterseite der Kollektorabdeckung könnten die thermischen Verluste reduzieren (aber reduzieren gleichzeitig auch den Transmissionsgrad) thermische Verbesserungen führen zu höheren Stagnationstemperaturen -> erhöhte Temperaturbelastung der PVT-Absorberkonstruktion und der verwendeten Materialien.

13 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

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

15 Neue Herausforderungen durch Kondensation und Vereisung

16 Entwicklung unabgedeckter PVT-Kollektoren Die Verbesserung der Wärmeübertragung von der PV-Zelle zum Fluid ist entscheidend: für den thermischen Wirkungsgrad für die Kühlung der PV-Zelle und damit verbesserten el. Wirkungsgrad für den Wirkungsgrad als Luft-Sole Wärmetauscher Neue Herausforderungen entstehen durch mögliche Kondensation und Vereisung Kostengünstige Verbindungstechniken für die Verrohrung von PVT-Kollektoren müssen entwickelt werden maximal auftretende Temperaturen unter 100 C kein Dampf bei Stagnation Systemtechnik: viele Konzepte möglich, die noch genauer untersucht werden müssen (Erdsondenspeicher, Eisspeicher, Regelstrategien)

17 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

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