Kurzbeschreibung
Dieses Projekt diente der Entwicklung eines hybriden Solarkollektors (photovoltaisch und solarthermisch), dessen Leistung durch die Konzentration des Sonnenlichtes zusätzlich noch gesteigert wird.
Das angestrebte wissenschaftlich-technische Lösungskonzept mittels Konzentration des Lichtes konnte durch die wesentliche Erhöhung der Temperatur des Wärmeträgermediums und damit der Gebrauchseigenschaften des Kollektors nachgewiesen werden. Zwei verschiedene konstruktive Varianten zur Nutzung der solaren Energie wurden aufgezeigt, verfolgt und getestet. Beide ließen sich umsetzen und auf ihr Potential hin optimieren. Die Verteilung der spektralen Anteile des einfallenden Sonnenlichtes wurden mittels ZEMAX simuliert und die dafür verfügbaren kommerziellen Lösungen (Kaltlichtspiegel und Wärmeschutzgläser bzw. -folien) analysiert.
Die Simulation konnte in der Praxis überprüft und validiert und somit die theoretisch erwarteten Ergebnisse bestätigt werden. Die durch die Fresnelstrukturen erzeugten Brennlinien wurden durch die Strahlteiler in beiden Ebenen reflektiert bzw. transmittiert. Für die Konstruktion des Absorberelementes sind verschiedene Varianten evaluiert worden, deren Auswahl aufgrund konstruktiv-thermodynamischer Gesichtspunkte erfolgte. Für die Gestaltung des wärmetransportierenden Querschnittes konnten verschiedene Geometrien mithilfe der FE-Methode analysiert werden, wobei sich ein Flachprofil aufgrund der thermischen Eigenschaften als das bevorzugte Trägerprofil erwies.
Die Gehäuse für die Hochleistungssolarkollektoren (HLSKs) werden aus einem Aluminiumhohlkammerprofil konzipiert. Die Konzentratorplatte mit den Fresnelstrukturen wird mittels Gummidichtungen spannungsarm und gegen äußere Einflüsse isolierend gelagert. Das Basismodul (PV oder Solarthermie) konnte problemlos integriert werden. Mittels PT100-Sensoren und einer eigens entwickelten Digitalprozessor- und Auswerteeinheit sind die Messdaten bezüglich des thermischen Wirkungsgrades der solarthermischen Einheit sowie der erzielten Leistung des photovoltaisch erzeugten Stromes aufgenommen worden. Zusätzlich wurde die Globalstrahlung an der Wetterstation der FH Jena aufgezeichnet. Die Daten wurden in eine Datenbank integriert.
Prinzipiell bestehen zwei Möglichkeiten zur Gewinnung der solarthermischen Energie. So wurden die Konzepte Röhrenkollektor mit Wärmeleitblechen und Vollkollektor mit flächigen Absorberelementen experimentell unter realen Bedingungen verglichen. Dabei bestätigten sich die durch FE-Methoden gewonnenen Erkenntnisse, dass ein flächiger Vollkörper eine bessere Energieausbeute liefert. Diese Bauweise wurde für die weiteren Experimente ausgewählt.
Ausgehend von den beiden verschiedenen Möglichkeiten zur Aufspaltung der solaren Energie und zur Nutzung derselben wurden verschiedene Strahlteilerkonzepte evaluiert und recherchiert. Dabei konnten unterschiedliche kommerziell verfügbare Konzepte getestet werden. Sowohl Kaltlichtspiegel als auch Wärmeschutzgläser bzw. -folien wurden in die Untersuchungen einbezogen.
Für den Aufbau des hybriden Wirkkonzeptes konnte zunächst ein Modelldemonstrator realisiert werden. Hiernach wurden reale Prototypen zur Untersuchung des hybriden Konzepts in beiden Varianten hergestellt, die sich beide als funktionsfähig erwiesen. Als Strahlteiler konnten verschiedene kommerziell verfügbare Kaltlichtspiegel und Wärmeschutzgläser recherchiert und hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften und ihrer Wirtschaftlichkeit verglichen werden, deren Auswahl durch eine Bewertungsmatrix erfolgte. Ebenfalls recherchiert und elektrooptisch vermessen wurden unterschiedliche Solarzellen, die aufgrund ihrer Eignung für die hybride HLSK-Variante mit Solarthermiemodul als Basismodul ausgewählt worden waren. Dabei fand ein polykristalliner Typ Anwendung.
Für die optimale experimentelle Untersuchung der hybriden HLSKs über den verbliebenen Projektzeitraum eines Jahres sind neigungswinkelabhängige Aufstellsysteme entwickelt und aufgebaut worden. Damit konnten verschiedene Großflächensolarzellen in Dünnschicht- und Monokristallindesign untersucht und mit und ohne optische Konzentration vermessen werden. Mittels dieses Aufbaus sind ebenfalls Solarthermiemodule in flächiger Ausführung und auch im Röhrendesign mit Absorberblechen untersucht worden.
Für den Einsatz der Kleinflächensolarzellen im Hybridmodul mit einem Solarthermiemodul als Basismodul erfolgte die Konstruktion spezieller Streifenhalterungen, die zwölf einzelnen Zellen aufnahm, die elektrisch miteinander verbunden wurden. Weiterhin wurde eine Schaltung entwickelt und implementiert, die bei einer Verschattung von einzelnen Zellen den Durchgangswiderstand minimiert.
Die Messung der Wärmeleistung bezogen auf die Kollektorfläche ergab, dass beide Hybridvarianten einen ähnlichen Wärmeertrag liefern. Der aus den unter realen Bedingungen gewonnenen Werten einer Messung errechnete Wirkungsgrad ist mit dem des kommerziellen Moduls vergleichbar. Die Überprüfung der photovoltaischen Leistung der Hybridmodule zeigte, dass der Hybridaufbau mit dem PV-Modul als Grundlage im Vergleich zum Solarthermie-Hybrid-Kollektor einen um bis zu 5% höheren Wirkungsgrad erreicht (15%).
Insgesamt konnte dargelegt werden, dass der neuartige Hybridaufbau flächennormiert dieselbe Gesamtleistung erbringt wie zwei einzelne Photovoltaik- und Solarthermiemodule. Weiterhin besteht ein großes Weiterentwicklungspotential dieses ersten Prototypenaufbaus zur Steigerung der Gesamtleistung.
Zum Baukastenprinzip für beide Hybridvarianten gehören ein Gehäuse aus Hohlkammerprofilen, ein Aluminiumkäfig, der die Strahlteiler aufnimmt, sowie je nach Ausführung der Absorber oder die PV-Modul-Streifen. Weiterhin ist je nach Ausführung das PV-Modul oder das Solarthermiemodul als Basismodul integriert, den Abschluss bildet eine Glasplatte mit Fresnelstruktur (Konzentrator), die mittels Dichtung das Hybridmodul zur Umwelt hin abschließt. Damit wird zum einen der optisch definierte Abstand der Wirkelemente zueinander sichergestellt, zum anderen entstehen so einzelne autarke Baugruppen, die bei Defekten leicht ausgetauscht werden können.
Projektlaufzeit
01.11.2009 – 31.10.2011
Projektsumme
0,5 Mio.€
Projektpartner
Kunstmann GmbH
Fresnel Optics GmbH
Gefördert durch
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages
Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Jens Bliedtner
M. Eng. Dipl.-Ing. (FH) Andreas Patschger