Kombimodul Solarthermie-Photovoltaik in Polysun

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1 Kombimodul Solarthermie-Photovoltaik in Polysun Baptiste Lacoste 1 (baptiste.lacoste@velasolaris.com) Simon Geisshüsler 1 (simon.geisshuesler@velasolaris.com) Andreas Witzig 1 (andreas.witzig@velasolaris.com) Willi Bihler 2 (biler@solarzentrum-allgaeu.de) 1 Vela Solaris AG Stadthausstrasse 125, CH-8400 Winterthur, Schweiz Tel.: ; Internet: 2 Solarzentrum Allgäu Gewerbepark 13D Altdorf, Deutschland Tel ; Internet: 1. Einleitung Seit kurzem haben Solarthermie-Photovoltaik (auch: Photovoltaik-Thermie = PVT ) Kombimodule die Marktreife erlangt und werden erstmals auch breit eingesetzt. In diesem Beitrag wird das neue Polysun Rechenmodell für diese Module vorgestellt. Aus den neuen Anwendungen gehen neue Optimierungsaufgaben für die Planung und Auslegung diese Anlagen hervor, welche nun simulationstechnisch erfasst werden. 2. Funktionsprinzip Mit einem Wasserkreislauf auf der Rückseite der Solarthermie-Photovoltaik Kombimodule wird gleichzeitig thermische Solarenergie genutzt und der Solarstromertrag erhöht. Letzteres geschieht aus dem Grund, dass die Photovoltaikzellen bei tieferen Temperaturen einen höheren Wirkungsgrad aufweisen. Der ideale Einsatzbereich dieser Anwendung liegt dort, wo die Kombimodule eine relativ tiefe Temperatur haben. Die Systemoptimierung unterscheidet sich deshalb von klassischen Solarthermieanwendungen. PVT-Kombimodul Seite 1/1

2 3. Modellierung in Polysun Im Polysun Simulationskonzept werden alle physikalischen Parameter auf Komponentenebene dynamisch abgebildet. Dieser Ansatz erlaubt eine einfache Kombination von Solarthermiekollektoren und Photovoltaikmodulen. Die thermodynamischen Vorgänge werden analog zum klassischen Solarthermiekollektor abgebildet und somit wird die Modultemperatur zu jeder Zeit exakt bestimmt. Dabei wird das Kombimodul mit dem physikalischen Modell der nicht abgedeckten Kollektoren berechnet. Die daraus resultierende Modultemperatur wird dann für die Berechnung des Stromertrages verwendet. Der resultierende elektrische Mehrertrag, welcher durch den Kühleffekt der Solarthermie entsteht, kann somit exakt quantifiziert und im Kontext des Gesamtsystems optimiert werden. 4. Messresultate zur Modellkalibrierung Am Solarzentrum Allgäu werden Kombimodule hergestellt und realen Anwendungsbedingungen ausgemessen. Dabei wird der ungekühlte mit dem gekühlten Betriebmodus miteinander verglichen. Die Resultate wurden dazu verwendet, die Polysunmodelle der PVT Kollektoren zu kalibrieren. Uhrzeit Temp. Umgebung [ C] Temp. Modul [ C] Einstrahlung [W/m²] Leistung [W] 11: , ,00 11:30 23,30 55, ,50 12:40 25,20 62, ,9 12:50 24,38 63, ,7 12:55 25,50 64, ,2 Tabelle 1: Werte der ungekühlten PVT Kombimodule PVT-Kombimodul Seite 2/2

3 Uhrzeit Temp. Umgebung [ C] Temp. Modul [ C] Einstrahlung [W/m²] Leistung [W] 13:10 24,00 65, ,50 13:20 23,00 54, ,3 13:30 22,00 45, ,9 13:40 22,50 45, ,7 13:50 22,00 45, ,4 Tabelle 2: Werte der gekühlten PVT Kombimodule Uhrzeit Thermische Wass.Temp. Wass.Temp. Leistung Vorlauf Rücklauf [ C] [W] [ C] 13: ,80 34,30 13: ,53 19,07 13: ,54 21,92 13, ,15 22,79 13, ,15 22,80 Tabelle 3: Thermische Wärme Gewinnung 5. Anwendungsbeispiele Als erstes Simulationsbeispiel wird ein sehr einfaches System angenommen, bei welchem das PVT Kombimodul (Bruttogesamtfläche 5.12 m2) thermisch an ein Schwimmbad gekoppelt ist (Abbildung 1) Damit können die PVT Kollektoren auf einem viel tieferen Temperaturniveau gehalten werden. Der Vergleich für eine repräsentative Woche im Mai ist in Abbildung 2 gegeben. Der Pool von 120 m3 Volumen zeigt eine PVT-Kombimodul Seite 3/3

4 tageszeitliche Temperaturschwankung von ca 1 C und heizt sich in dieser Woche insgesamt von 13 C auf 17.5 C auf. Abbildung 1: Anlageschema des ersten Simulationsbeispiels PVT-Kombimodul Seite 4/4

5 Abbildung 2: Vergleich der Simulationsresultate für eine typische Woche im Mai. Wetterdaten für Bonn, Deutschland, gerechnet mit Meteonorm. Abbildung 3: Ertragsvergleich für gekühlte und ungekühlte Kombimodule. Desweiteren wurde der Ertrag der Photovoltaikanlage für gekühlte und ungekühlte Kombimodule auf Monatsbasis durchgeführt. Dabei wird im Jahresdurchschnitt ein Ertragsgewinn von 9.2% berechnet, während die Monatswerte zwischen 7.5% und 11.8% schwanken. Als zweites Beispiel wird eine komplexere Anlage gemäss Abbildung 4 betrachtet. PVT-Kombimodul Seite 5/5

6 Abbildung 4: Typisches System mit einem Solarthermie-Photovoltaik Kombimodul. Die Simulation mit Polysun erlaubt es in diesem Fall, das Optimum in der Modultemperatur zu finden, wo die solare Trinkwassererwärmung im Speicher und der Kühleffekt für die Photovoltaikmodule ausgewogen sind. 6. Schlussfolgerungen und Ausblick Die numerischen Behandlung von Solarthermie-Photovoltaik Kombimodulen in Polysun erlaubt den kritischen Vergleich verschiedener Systeme. In der Anlageplanung können spezifisch für Standort und Warmwasserverbraucher die Ertragssteigerungen vorhergesagt werden. Weitere Effekte wie die Leistungssteigerung durch Abtauen der Schneedecke werden ebenfalls der Planung zugänglich. 7. Zusammenarbeit Die in diesem Beitrag präsentierten Resultate wurden in Zusammenarbeit von Vela Solaris und dem Solarzentrum Allgäu erstellt. Die neu erstellten Simulationsmodelle sind in der Simulationssoftware Polysun öffentlich zugänglich. PVT-Kombimodul Seite 6/6

7 ab sofort in einer neuen Version und mit neuem Logo: PVT-Kombimodul Seite 7/7