Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) Am Ohrberg 1, 31860 Emmerthal, Telefon +49(0)5151 999-100, Telefax +49(0)5151 999-400, Internet www.isfh.de An-Institut der Optimierung und Evaluation eines modularen photovoltaisch-thermischen Kollektors basierend auf einem Montagesystem mit Integralbauweise Steffen Brötje 1 , Lisa Busche 1 , Zacharias Grodtke 1 , Nick Tränkel 1 , Maik Kirchner 1 , Iris Kunze 1, Robert Witteck 1 , Thomas Schabbach 2 und Federico Giovannetti 1 1 Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH), 2 Hochschule Nordhausen Projekt „SolarHybrid“ Ergebnisse Motivation • Photovoltaisch-thermische (PVT) Systeme können vorhandene Dachfläche effizienter nutzen • Dachintegration kann die Akzeptanz erhöhen • Modulares, klebefreies Kollektorsystem: PV-Module: Wartung/ Reparatur/ Austausch ohne Eingriff in den Fluidkreis geringere thermische Spannungen Vorteile bei Zulassung und Haftung geringere Kosten Entwicklungsziele • Anwendung: Niedertemperatur- und Wärmepumpensysteme (unabgedeckt) • Selbsttragende Wärmeübertrager als Montagesystem • Klebefreie Verbindungen zwischen PV- Modulen und Wärmeübertrager • Optimierung von thermischer Leistung, PV- Kühlung und Materialeinsatz • Kompatibilität mit verschiedenen Glas-Glas- PV-Modulen • Konversionsfaktor η 0,hem = 0,66 (0,73) im MPP (OC) bei η el = 0,10 • Interner Wärmeleitwert U int = 56 ±11 W/(m 2 K), ∆T Zelle-Fluid < 12 K • Vergleich von Messung und FEM-Simulation ergibt äquivalenten Luftspalt s eq <= 0,1 mm zwischen PV-Modul und Wärmeübertrager Technisch optimale Kontaktierung Designoptimierung – numerische Simulationen Prototyp-Testfeld QDT: Quasidynamische Tests – Parameteridentifikation & Simulation Weitere Ergebnisse Wärmetransport: PV-Modul Fluid Das dieser Veröffentlichung zu Grunde liegende Vorhaben „Modularer Solarhybridkollektor für Niedertemperatur und Wärmepumpenanwendungen basierend auf einem universellen Montagesystem (Kurzname: Solarhybrid)“ (FKZ: 16KN041920) wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Autoren danken für die Unterstützung. Industriepartner: Hydraulische Auslegung 0 10 20 30 40 50 spezifischer Massenstrom mpkt spec in kg/(h m 2 ) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 thermische Leistung und Druckverlust* 0 125 250 375 500 625 750 875 1000 1125 1250 1375 1500 Hauptleitung: 32 mm Hauptleitung: 26 mm Übergang laminar/turbulent in Zu-/Ableitung Kennlinien 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 äquivalente Luftschichtdicke s eq in m 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 30 % Ethylen Glycole ; Rohrabstand 88-60-88... mm 35 % Ethylen Glycole ; Rohrabstand 88-60-88... mm 40 % Ethylen Glycole ; Rohrabstand 88-60-88... mm 30 % Ethylen Glycole ; Rohrabstand 146-146-... mm 35 % Ethylen Glycole ; Rohrabstand 146-146-... mm 40 % Ethylen Glycole ; Rohrabstand 146-146-... mm Luft zwischen PV-Modul und Wärmeübertrager Interner Wärmeleitwert (Zelle Fluid) Messungen: U int ≈ 56 W/(m 2 K) U L ≈ 14 W/(m 2 K) η 0,hem = 0,73 (OC) (bei 12,3 kg/(h·Rohr) s eq < 0,1 mm Technisches Optimum*: U int = 60 W/(m 2 K) η 0,hem (30 %, 2 Rohre asymmetrisch) = 0,74 Parameter x Wert Einheit T = x/σ η 0,b 0,658 ±0,02 - 329 K b (50°) 0,92 - 219 K d 0,99 - 198 a 1 11,56 W/( m 2 K) 69 a 2 0,09 W/( m 2 K 2 ) 18 a 3 1,26 J/(m 3 K) 24 a 4 (ε/α) 0,61 (0,92) - (fix) a 5 47,00 kJ/(m 2 K) 179 a 6 0,03 s/m 44 Leistungskoeffizienten nach DIN EN ISO 9806 (MPP-Betrieb) Messergebnisse: die wichtigsten Zahlen Simulation mit Kollektorkoeffizienten in Matlab/Simulink • Streuung und Korrelation von Messwerten: QDT-Messung erforderte Anpassung der Regressionsmodelle (ISO 9806) • Potentialinduzierte Degradation: Einsatz nur von Modulen möglich, die Prüfungen nach IEC 62804 bestehen m a 13,6 m 2 4,5 m 2 PV 13,6 m 2 PVT *Zwei Platten Al-Al bei 1 bar, (Incropera et al., 2002) *simuliert: T a =T m = 20 °C; U L (Verlust) = 13 W/(Km 2 ); s eq = 0,01 mm; 35 % Ethylenglykol; Calyxo Modul mit Absorptionsgrad 0,91; Feld: 7,2 m x 14 m Software: Klimatische Bedingung Himmel Blau Trüb Grau Direktstrahlung G b in W/m 2 850 440 200 Diffusstrahlung G d in W/m 2 150 260 200 Umgebungstemperatur Ta in °C 20 20 20 Windgeschwindigkeit u in m/s 1,3 1,3 1,3 Einfallswinkelkorrektur K b 1 1 1 Wärmestrahlung σ(T sky 4 ‐T a 4 ) -100 - 50 0