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 Brötje1, Lisa Busche1, Zacharias Grodtke1, Nick Tränkel1, Maik Kirchner1, Iris Kunze1, Robert Witteck1, Thomas Schabbach2 und Federico Giovannetti1

1Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH), 2Hochschule 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 η0,hem = 0,66 (0,73) im MPP (OC) bei ηel = 0,10

• Interner Wärmeleitwert Uint = 56 ±11 W/(m2K), ∆TZelle-Fluid < 12 K

• Vergleich von Messung und FEM-Simulation ergibt äquivalenten Luftspalt seq <= 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 Niedertemperaturund Wärmepumpenanwendungen basierend auf einem universellen Montagesystem (Kurzname: Solarhybrid)“(FKZ: 16KN041920) wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie aufgrund einesBeschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Autoren danken für die Unterstützung.

Industriepartner:

Hydraulische Auslegung

0 10 20 30 40 50

spezifischer Massenstrom mpktspec

in kg/(h m2)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60thermische Leistung und Druckverlust*

0

125

250

375

500

625

750

875

1000

1125

1250

1375

1500

Hauptleitung: 32 mm

Hauptleitung: 26 mm

Übergang laminar/turbulentin Zu-/Ableitung

Kennlinien

10-6 10-5 10-4 10-3 10-2

äquivalente Luftschichtdicke seq

in m

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

30 % Ethylen Glycole ; Rohrabstand 88-60-88... mm35 % Ethylen Glycole ; Rohrabstand 88-60-88... mm40 % Ethylen Glycole ; Rohrabstand 88-60-88... mm30 % Ethylen Glycole ; Rohrabstand 146-146-... mm35 % Ethylen Glycole ; Rohrabstand 146-146-... mm40 % Ethylen Glycole ; Rohrabstand 146-146-... mm

Luft zwischen PV-Modul und Wärmeübertrager

Inte

rner

Wär

mel

eitw

ert

(Zel

le

Flu

id)

Messungen:

Uint ≈ 56 W/(m2K)

UL ≈ 14 W/(m2K)

η0,hem = 0,73 (OC)

(bei 12,3 kg/(h·Rohr)

seq < 0,1 mm

Technisches Optimum*:Uint = 60 W/(m2K) η0,hem(30 %, 2 Rohre asymmetrisch) = 0,74

Parameter x Wert Einheit T = x/σ

η0,b 0,658 ±0,02 - 329

Kb(50°) 0,92 - 219

Kd 0,99 - 198

a1 11,56 W/( m2K) 69

a2 0,09 W/( m2K2) 18

a3 1,26 J/(m3K) 24

a4 (ε/α) 0,61 (0,92) - (fix)

a5 47,00 kJ/(m2K) 179

a6 0,03 s/m 44

Leistungskoeffizienten nachDIN 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 m2

4,5 m2 PV13,6 m2 PVT

*Zwei Platten Al-Al bei 1 bar, (Incropera et al., 2002)

*simuliert: Ta = Tm = 20 °C; UL(Verlust) = 13 W/(Km2); seq = 0,01mm; 35 % Ethylenglykol; Calyxo Modul mit Absorptionsgrad 0,91;

Feld: 7,2 m x 14 m

Software:

Klimatische Bedingung Himmel

Blau Trüb GrauDirektstrahlung Gb in W/m2 850 440 200Diffusstrahlung Gd in W/m2 150 260 200Umgebungstemperatur Ta in °C 20 20 20Windgeschwindigkeit u in m/s 1,3 1,3 1,3Einfallswinkelkorrektur Kb 1 1 1Wärmestrahlung σ(Tsky4‐Ta4) -100 - 50 0