PVT-Kollektoren: Strom und Wärme gleichzeitig

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1 PVT-Kollektoren: Strom und Wärme gleichzeitig Dr. Daniel Zenhäusern, SPF Rapperswil, Bau- & Energiemesse Bern,

2 PVT - Kollektoren Kombination von Photovoltaik (PV) und Solarthermie (T) in einer Baueinheit. PVT - Kollektor PV-Zellen produzieren Strom und übernehmen gleichzeitig die Rolle des thermischen Absorbers. An der Rückseite der PV-Zellen ist ein Wärmeübertrager montiert, der die Wärme abführt 2

3 Grundidee 1.8 csi PV-Zelle Quelle: P. Dupeyrat, Fraunhofer ISE 1.6 AM 1.5 Solarspektrum 1.4 Spectral Irradiance [W/m²/nm] Reflexion ~ 10% Absorption ~ 90% Reflection Absorption PV conversion Reflected Wärme ~ 74 % Strom ~ 16 % Wavelength [nm] 3

4 Grundidee 1.8 csi PV-Zelle Quelle: P. Dupeyrat, Fraunhofer ISE 1.6 AM 1.5 Solarspektrum 1.4 Spectral Irradiance [W/m²/nm] Reflexion ~ 10% Absorption ~ 90% Reflection Absorption PV conversion Reflected Wärme ~ 74 % Strom ~ 16 % Wavelength [nm] PVT Nutzwärme anstatt schädliche Abwärme 4

5 PVT-Flachkollektoren flüssigkeitsgekühlt luftgekühlt unabgedeckt abgedeckt «abgedeckt» = mit transparenter/transluzenter Materialschicht zur Reduktion der konvektiven Wärmeverluste an der Kollektor-Vorderseite 5

6 PVT-Flachkollektoren Quelle: Meyer Burger Quelle: P. Dupeyrat unabgedeckt, flüssigkeitsgekühlt Quelle: Grammer Solar abgedeckt, flüssigkeitsgekühlt unabgedeckt, luftgekühlt 6

7 Weitere Bauarten Konzentrierende PVT-Kollektoren Aktiv hinterlüftete PV-Fassaden Quelle: Cogenera SolarWall PVT, Quelle: Conserval Engineering Inc. Quelle: ZenithSolar 7

8 Markt Marktübersicht PVT-Kollektoren (Anzahl Produkte) Daten von Projekt PVT-Norm, 2014 (Fachhochschule Düsseldorf, Solarzentrum Allgäu, Fraunhofer ISE) 30 PVT-Flachkollektoren flüssigkeitsgekühlt, unabgedeckt PVT-Flachkollektoren flüssigkeitsgekühlt, abgedeckt PVT-Flachkollektoren luftgekühlt Konzentrierende PVT-Kollektoren 8

9 Markt Marktübersicht PVT-Kollektoren (Anzahl Produkte) Daten von Projekt PVT-Norm, 2014 (Fachhochschule Düsseldorf, Solarzentrum Allgäu, Fraunhofer ISE) 30 PVT-Flachkollektoren flüssigkeitsgekühlt, unabgedeckt PVT-Flachkollektoren flüssigkeitsgekühlt, abgedeckt PVT-Flachkollektoren luftgekühlt Konzentrierende PVT-Kollektoren 9

10 Thermische und elektrische Effizienz Thermische Effizienz Elektrische Effizienz Quelle: H. A. Zondag 25 csi HIT csi CIGS CdTe Electrical efficiency [%] Module temperature [ C] Sowohl thermische wie elektrische Effizienz sind besser bei niedrigen Betriebstemperaturen. 10

11 Thermische und elektrische Effizienz Thermische Effizienz Elektrische Effizienz Quelle: H. A. Zondag 25 csi HIT csi CIGS CdTe Electrical efficiency [%] Module temperature [ C] Sowohl thermische wie elektrische Effizienz sind besser bei niedrigen Betriebstemperaturen. Gute Systemauslegung und Steuerung sind essenziell um Vorteile von PVT auszunutzen. 11

12 Anwendungen für unabgedeckte flüssigkeitsgekühlte PVT-Kollektoren Effizient überall wo Wärme auf niedrigem Temperaturniveau benötigt wird Brauchwarmwasser - Vorwärmung (Wohngebäude, öffentl. Gebäude, Sportzentren) Beheizung von Freibädern In Kombination mit Wärmepumpen: Direkte Quelle für Wärmepumpe Regeneration von Erdwärmesonden(-feldern) Regeneration/Beladung von Eisspeichern Fischzucht etc. 12

13 Zu erwartende Wärme- und Stromerträge Bruttoerträge: Standort Bern, Ausrichtung Süd, Anstellwinkel Globalstrahlung Stromertrag DC Bruttowärmeertrag kwh/(m2*jahr) Globalstrahlung in Kollektorebene Tm=10 C Tm=15 C Tm=20 C Tm=30 C Tm=40 C Durchschnittliche Betriebstemperatur 13

14 Beispiel 1: Brauchwarmwasser-Vorwärmung (Testanlage SPF) Speicher : 500 Liter 2 PV-Module zum Vergleich (3.3 m 2 ) 6 PVT-Kollektoren (9.9 m 2 ) 8 Modulwechselrichter

15 Beispiel 1: Brauchwarmwasser-Vorwärmung (Testanlage SPF) Solarstrahlung Energie [kwh/(m2*jahr)] Stromertrag DC Solarstrahlung Ertrag PV Ertrag PVT 15

16 Beispiel 1: Brauchwarmwasser-Vorwärmung (Testanlage SPF) Energie [kwh/(m2*jahr)] Solarstrahlung Wärmeertrag Stromertrag DC Solarstrahlung Ertrag PV Ertrag PVT 16

17 Beispiel 1: Brauchwarmwasser-Vorwärmung (Testanlage SPF) Energie [kwh/(m2*jahr)] Solarstrahlung Wärmeertrag 1425 Stromertrag DC Solarstrahlung Ertrag PV Ertrag PVT Effizienz PV elektrisch = 11.9 % Effizienz PVT elektrisch = 12.4 % Effizienz PVT thermisch = 19.6 % Effizienz PVT total = 32 % Solarer Deckungsgrad Warmwasser 24 % Dimensionierung 1 m2 pro Person 17

18 Beispiel 2: Pilot- und Demonstrationsprojekt Oberfeld, Ostermundigen Überbauung mit insgesamt 100 Wohnungen Drei Gebäude A, B, C 1300 m 2 PVT Kollektoren 28 Erdsonden à 200 m (drei Felder) Quelle: [ 18

19 P&D Oberfeld: Eckdaten Haus B Gebäude B (P&D) 50 Wohnungen 5345m 2 Energiebezugsfläche WP WW 39 kw th. Gebäude B WP HZ 75 kw th. 14 Sonden à 200 m Wassergefüllte Sonden Quelle: Solararchitektur, energieschweiz.ch 620 m 2 PVT Kollektoren 19

20 P&D Oberfeld: Anlagenbetrieb 2015 Quellen Senken Regenerationsgrad EWS ca. 120% Spezifischer PVT-Kollektorfeldertrag 322 kwh/m 2 a thermisch 20

21 Beispiel 3: Pilot- und Demonstrationsprojekt Sotchà, Scuol 3 baugleiche Mehrfamilienhäuser mit 3 unterschiedlichen Energiesystemen 1) PV (130 m 2 ) 2) PV + Solarthermie (90 m m 2 ) 3) PVT (130 m 2 ) PVT für Erdsondenregeneration und als Quelle für Wärmepumpe Monitoring und Vergleich der Systeme durch SPF 21

22 Beispiel 3: Pilot- und Demonstrationsprojekt Sotchà, Scuol 22

23 Weitere Beispielanlagen PVT zur Freibadbeheizung, St Livres (Waadt) Quelle: DualSun 23

24 Weitere Beispielanlagen PVT mit WP in Mehrfamilienhaus, Watt-Regensdorf (ZH) Quelle: Poly Solar Solutions 24

25 Fazit PVT-Module erzeugen Solarstrom (Photovoltaik, PV) und Solarwärme (Solarthermie, T) auf derselben Fläche Eine hohe Energieausbeute pro Fläche ist möglich Eine gute Systemeinbindung der PVT-Module ist unerlässlich PVT- Kollektoren ermöglichen ästhetische Kombination von Solarwärme und Solarstrom auf demselben Dach 25

26 Dank PVT Übersichtsstudie im Auftrag von EnergieSchweiz erscheint im kommenden Frühling 26

27 Dank PVT Übersichtsstudie im Auftrag von EnergieSchweiz erscheint im kommenden Frühling Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 27

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