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© IfE GmbH, Hochschule Amberg-Weiden
Hybrid-Kollektoren auf dem Dach liefern Strom und Wärme
Projektinfo 10/2012
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Solardächer doppelt nutzen

Eine naheliegende Idee: Statt verschiedene Modul- und Kollektortypen für Solarstrom und solare Wärme aufs Dach zu schrauben, einen Hybrid-Kollektor verwenden, der beides kann und ein einheitliches Erscheinungsbild ermöglicht. Zusätzlich zur photovoltaischen Stromerzeugung, die lediglich 15 - 20% der einfallenden Sonnenstrahlung nutzt, kann ein sogenannter PVT-Kollektor die verbleibende Strahlungsenergie für die Wärmeerzeugung verwenden. Forscher arbeiten daran, die Leistung und Produktion dieser Anlagen zu optimieren.

Besonders geeignet erscheinen photovoltaisch-thermische (PVT) Hybridanlagen für Gebäude mit einem ganzjährig höheren Wärmeenergiebedarf, wie Wohnhäuser, Hotels, Heime und Krankenhäuser. Hier kommt der Vorteil der Kombi-Kollektoren besonders zur Geltung: Eine Wärmenutzung im Sommerhalbjahr sorgt dafür, dass sich die PV-Module weniger aufheizen und dadurch höheren Ertrag bringen. Falls jedoch solare Wärme nur in der Heizperiode gebraucht wird, hat dies höhere Kollektortemperaturen und dadurch deutliche Ertragseinbußen in der Photovoltaik zur Folge.

Ein großer Wärmebedarf, z. B. für solare Kühlung oder zur Beheizung eines Schwimmbades, kann den Einsatz der PVT-Technologie interessant machen. Im Winter ist es sogar möglich, den Kollektor kurzzeitig zu beheizen, um Schnee und Eis abzutauen, damit er dann wieder Energie liefern kann. Da die nutzbare Solarfläche auf Wohnhausdächern in der Regel größer ist als die zur Deckung des Wärmebedarfs erforderliche Kollektorfläche, ist es oft sinnvoll, PV- und PVT-Kollektoren zu kombinieren.

Neue Kollektor-Konzepte

Es gibt abgedeckte und unabgedeckte PVT-Kollektoren. Forscher des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben einen abgedeckten PVT-Kollektor entwickelt, der sehr effizient Solarwärme erzeugt. Die Kollegen am Institut für Solarenergieforschung Hameln ISFH haben eine Kombination von einem auf hohen PV-Stromertrag orientierten, unabgedeckten PVT-Kollektor mit Wärmepumpe und Erdsondenwärmespeicher untersucht und modelliert; in Bayern heizt eine Hybridanlage die Räume eines Hallenbades. Aktuell arbeiten die Entwickler an neuen Modul- und Systemkonzepten. Sie verbessern den Wärmeübergang zwischen Solarzelle und Wärmeträger, optimieren Kanalstrukturen des Absorbers, laminieren die Solarzellen direkt auf geeignete Absorber und setzen neue Materialien und Verfahren für die Zellverkapselungen ein.

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Das Manko der Kombi-Kollektoren besteht darin, dass sich die beiden Nutzungen gegenseitig stören können. Solarzellen arbeiten bei niedrigen Temperaturen am effektivsten. Die Leistung kristalliner Module sinkt mit steigender Temperatur pro Grad Celsius um 0,4 bis 0,5%, bei Temperaturen von etwa 130°C liefern sie nur noch die halbe mögliche Stromausbeute. Solarthermie-Kollektoren erreichen jedoch leicht 90°C – im Sommer sogar für die Folien im PV-Modul zerstörerische 200°C, wenn bei vollem Speicher der Wärmekreislauf stoppt. Dann gibt die PV-Anlage mittags, während der eigentlich ertragsstärksten Zeit, nur noch etwa ein Achtel ihrer Nennleistung ab. Bei der Auslegung von Hybridanlagen ist also zu berücksichtigen, dass einerseits der PV-Ertrag steigt, je stärker die Module gekühlt werden, andererseits eine effektive Solarthermie höhere Temperaturen nutzt. Ziel ist eine Kompromisslösung, die für beide Nutzungen möglichst gute Ergebnisse verspricht. Geeignete Verfahren müssen die Wärmeabfuhr ohne großen energetischen Mehraufwand bzw. mit zusätzlichem Nutzen realisieren. Ein Konzept verwendet unabgedeckte PVT-Kollektoren nicht als „heiße“ Wärmequelle für Warmwasser und Heizung, sondern als „kalte“ Wärmequelle für die Wärmepumpe.

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Adressen

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Projekt BiSolar-WP
GEFGA Energiesysteme GmbH

Projekt PVTcol
Fraunhofer ISE

Pilotanlage Kümmersbruck
Hochschule Amberg-Weiden, IfE GmbH

Pilotanlage Kümmersbruck
Grammer Solar GmbH

Service

BINE-Projektinfo 10/2012
(PDF, 4 Seiten, 1,22 MB)

Links

Forschungsjahrbuch Erneuerbare Energien 2012
Webdownload des Forschungsjahrbuches vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit

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Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.