Optimierung und Evaluation eines modularen photovoltaisch ... · Am Ohrberg 1, 31860 Emmerthal,...
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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
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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