Zeitschrift EE

nt 02 | 2020: Hybride Solartechnologien

Entwicklung eines konzentrierenden PVT-Kollektors

Alois Resch, Robert Höller

Die Energiewende kann nur dann gelingen, wenn der weltweite Wärmebedarf mit erneuerbaren Technologien gedeckt werden kann, denn fast die Hälfte des globalen Endenergiebedarfes dient der Bereitstellung von Wärme. Davon wiederum werden ca. 40 % zur Versorgung industrieller Prozesse verwendet, die zum überwiegenden Teil Temperaturen über 100 °C erfordern. Nicht-konzentrierende Solarkollektoren weisen in diesem Temperaturbereich bereits einen stark reduzierten Wirkungsgrad auf, weshalb der Einsatz von konzentrierender Solartechnik entscheidende Vorteile bringen kann, sofern Standort und Anwendungsfall dafür geeignet sind.

Fresnel-Kollektor auf dem Dach der Fachhochschule Oberösterreich in Wels. Foto: Fresnex GmbH

Auf dem Dach der Fachhochschule Oberösterreich (FH OÖ) in Wels ist seit drei Jahren ein Fresnel-Kollektor (Spiegelfläche 22 m², Betrieb mit Thermoöl, Wirkungsgrad bei 200 °C ca. 50 %) installiert und in die Laborumgebung eingebunden, um die Charakteristik des Kollektors vermessen und die Anwendung in verschiedenen thermischen Prozessen im Labormaßstab nachbilden und untersuchen zu können.

PVT-Kollektoren bieten mit ihrer Kombination aus Photovoltaik und Solarthermie die Möglichkeit, erneuerbare Wärme und elektrischen Strom mit höherer Flächeneffizienz und reduzierten Installationskosten bereitzustellen. Eine Begrenzung des sinnvollen Einsatzes von PVT-Kollektoren zeigt sich jedoch, wenn Wärme auf höherem Temperaturniveau geliefert werden soll. Die konstruktive Ausführung konventioneller PVT-Kollektoren führt dazu, dass sich der thermische Absorber und die PV-Zellen auf einem ähnlichen Temperaturniveau befinden, sodass beim Betrieb des Kollektors mit hoher Ausgangstemperatur die Effizienz der PV-Zellen stark reduziert wird. Bei einem PVT-Kollektor mit PV-Zellen aus kristallinem Silizium, der eine Temperatur von 95 °C bereitstellt, beträgt die elektrische Leistung nur mehr ca. 65 % der Nominalleistung.

Forschungsprojekt ENTHYRE

Für die Entwicklung eines PVT-Kollektors, der für industrielle Temperaturbereiche über 100 °C geeignet sein soll, muss ein grundlegend anderer Ansatz gewählt werden. Im Zuge des Forschungsprojektes ENTHYRE wird an der FH OÖ das Konzept eines konzentrierenden PVT-Kollektors mit optimierter thermischer als auch elektrischer Energiebereitstellung untersucht. Im Zentrum der Arbeit steht dabei die Methode des „Spectral Splitting“ (die Aufteilung des Solarspektrums in unterschiedliche Segmente). Die Umwandlungseffizienz der PV-Zelle hängt von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung ab und das bedeutet, dass nur ein gewisser Wellenlängenbereich der Solarstrahlung mit maximaler Effizienz in elektrischen Strom umgewandelt werden kann (Diese wellenlängenabhängige Umwandlungseffizienz wird durch die Kennwerte „Spectral Response“ bzw. „Externe Quanteneffizienz“ beschrieben.) Für kristallines Silizium liegt dieser ideale Spektralbereich etwa zwischen 700 nm und 1100 nm. Sowohl der kurzwelligere als auch der langwellige Bereich des Solarspektrums (280 nm bis 700 nm bzw. über 1100 nm) können nur zu einem Teil in elektrische Energie umgewandelt werden, was zu einer Erwärmung der PV-Zelle und einer Reduktion des Wirkungsgrades führt.

Mithilfe von Spectral Splitting kann gewährleistet werden, dass nur jener Spektralbereich der Solarstrahlung die PV-Zellen eines konzentrierenden PVT-Kollektors erreicht, der mit maximaler Effizienz in elektrischen Strom umgewandelt wird. Alle anderen Bereiche des Solarspektrums werden optisch gefiltert und im thermischen Teil des Receivers direkt in Wärme umgewandelt.

Receiver-Entwicklung

Im Rahmen des Projektes ENTHYRE soll ein PVT-Receiver entwickelt und das Konzept von Spectral Splitting implementiert werden. Neben umfangreichen Modellierungsarbeiten ist der Bau und die eingehende Charakterisierung eines Prototyps ein wesentlicher Bestandteil des Projektes. Den Startpunkt bildete eine optische Modellierung des Fresnel-Spiegelfeldes in MATLABTM zur Ermittlung der Bestrahlungsstärke am Eintritt in den Receiver. Auch konnten durch die Modellierung die für ein lineares Fresnel-System charakteristischen internen Verschattungsmechanismen berechnet und deren Auswirkung auf die optische Performance des Spiegelfeldes quantifiziert werden.

Aufbauend auf den Ergebnissen der optischen Modellierung wurden verschiedene Varianten von möglichen Receiver-Designs erarbeitet und einer grundlegenden Bewertung unterzogen. Für den Einsatz von kristallinem Silizium wäre folgender Receiver-Aufbau denkbar (siehe Abbildung): Zentrale Komponente ist ein spektral selektiver Absorptionsfilter, der in einer inneren Glasröhre von Wärmeträgermedium umströmt wird. Zwischen innerer und äußerer Glasröhre befindet sich ein luftgefüllter Ringspalt, der die Wärmeverluste zur Umgebung bzw. die Wärmeübertragung zu den PV-Zellen verringern soll. Über den konzentrischen Glasröhren werden die PV-Zellen in einem Aluminiumprofil angeordnet und thermisch an einen rückseitigen Kühlkreis angebunden. Die von unten in den Receiver einfallende konzentrierte Solarstrahlung durchdringt die Glasröhren und das Fluid und trifft auf den Spektralfilter, der die für die PV-Zellen ungeeigneten Wellenlängenbereiche absorbiert und in Wärme umwandelt. Der selektierte Spektralbereich zwischen 700 nm und 1100 nm wird vom Filter relativ verlustarm transmittiert, trifft auf die PV-Zellen und wird dort mit maximaler Effizienz in elektrischen Strom umgewandelt.

Möglicher Receiver-Aufbau mit implementiertem Spectral Splitting. Quelle: FH OÖ

Die weitere Arbeit im Projekt ENTHYRE wird zeigen, ob sich das theoretische Potential von Spectral Splitting zur effizienten Bereitstellung von Prozesswärme und elektrischem Strom auch praktisch umsetzen lässt.

Dieses Projekt wird durch das Dissertationsprogramm der Fachhochschule Oberösterreich von der Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) mit Mitteln des Landes Oberösterreich gefördert.

Autoren

Alois Resch, MSc, ist wissenschaftlicher Mitarbeiter der Fachhochschule Oberösterreich, Forschungsgruppe ASiC. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

Dipl.-Ing. Dr. Robert Höller ist Professor für Erneuerbare Energie an der Fachhochschule Oberösterreich. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

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