Hocheffiziente Flachkollektoren mit selektiver Doppelverglasung

Zukünftige Anwendungen der Solarthermie, wie beispielsweise die Erzeugung von Raumheizwärme mit hohem Deckungsanteil und industrieller Prozesswärme oder die solare Klimatisierung erfordern hohe Kollektorwirkungsgrade bei Temperaturen über 80° C bzw. bei geringer solarer Einstrahlung. Heutige Flachkollektoren (FK) sind kostengünstig, nutzen die Diffusstrahlung sehr effektiv, und weisen einen Marktanteil von über 90% auf. Jedoch erreichen sie für die erwähnten Anwendungen bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen keinen zufrieden stellenden Wirkungsgrad. Daher verfolgen wir das Ziel, die Leistungsfähigkeit von Flachkollektoren gezielt für den Betrieb bei hohen Temperaturen zu steigern.

Entscheidend ist dazu die Erhöhung der Isolationswirkung der transparenten Abdeckung bei ausreichend hoher Transmission. Dies geschieht durch Hinzufügen einer zweiten Glasscheibe und Reduktion des Strahlungsaustauschs zwischen den Scheiben über eine niedrig emittierende Beschichtung, eine sog. Low-e-Schicht. Dabei muss eine hohe Strahlungstransmission durch hochwertiges Glas, Antireflex- (AR) Beschichtungen und eine Optimierung der Low-e-Schicht sichergestellt werden.

Als ergänzende Maßnahmen zur Verbesserung werden z.B. eine Argon-Gasfüllung des Zwischenraums und eine erhöhte Rückseitendämmung eingesetzt. Der wichtigste Baustein für einen Hocheffizienz-Flachkollektor (HFK) ist die Low-e-Schicht mit hoher Transmission. Dabei wird die beste Wirkung erreicht, wenn die Low-e-Schicht auf der Oberseite der unteren Verglasung aufgebracht wird. Dies gewährleistet zusammen mit einem selektiven Absorber, dass sich in jedem Zwischenraum eine selektive Beschichtung befindet, die sehr effektiv Wärmeverluste durch Strahlung unterdrückt.

Studie mit einem ersten Prototyp

Ein erster Prototyp-Kollektor wurde mit einer Doppelverglasung konstruiert und aus handelsüblichen Komponenten gebaut. Die äußere Scheibe mit 91,5% Transmission, die innere Scheibe aus handelsüblichem Low-e-Glas (K-Glass™, Pilkington) mit einer Emissivität von 0,24. Da K-Glass™ nicht für Kollektoren entwickelt wurde, hat es einerseits einen vergleichsweise hohen Eisenanteil, der für eine erhöhte Absorption von Solarstrahlung im Glas führt und andererseits weist die Low-e Beschichtung eine nur mäßige solare Transmission auf. Abweichend von Abb. 56 weist die untere Glasscheibe auf ihrer Unterseite keine Antireflex-Beschichtung auf. Ferner wird ein Kupfer-Absorber mit einem laserverschweißten Rohrleitungssystem und einer hochselektiven Beschichtung eingesetzt. Das Kollektorgehäuse besteht wie bei kommerziellen Produkten aus einem Aluminiumrahmen mit einer Rückseitendämmung aus Mineralwolle. Wärmebrücken zwischen Glasscheiben und Kollektorrahmen sind minimiert.

Durchgeführte Wirkungsgradmessungen an dem Prototypen und Abschätzungen der optischen und thermischen Eigenschaften der Komponenten lassen das Entwicklungspotential des Kollektorkonzepts bewerten.

Die Leistungsmessung des Prototyp-Kollektors nach EN 12975 führt zu einem Konversionsfaktor η0 = 0,65 und einem Wärmeverlustkoeffizienten a60 von 2,5 W/m2K bei 60 K Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Umgebung. Die zugehörige Wirkungsgradkurve ist im Vergleich zu drei weiteren Kollektoren in Abb. 57 dargestellt. Der Kollektor entspricht dem Prototyp, geht jedoch von verbesserten Gläsern entsprechend dem heutigen Stand der Technik aus:➜hochqualitatives AR-Glas mit einem solaren Transmissionsgrad von 95 bis 96% anstatt 91,5% für die obere Glasscheibe➜eine eisenarme Glasscheibe für die untere Scheibe mit gleicher Low-e Beschichtung, ➜eine AR Beschichtung auf der unteren Seite der unteren Glasscheibe

Besonders viel versprechend ist der bereits mit dem vermessenen Prototypen erreichte Wärmeverlustkoeffizient a60 von 2,5 W/m2K, der nicht sehr weit von dem gesetzten Zielwertbereich zwischen 2,2 bis 1,8 W/m2K entfernt ist, aber schon deutlich unter dem Wert für von 3,4 W/m2K liegt. Der Konversionsfaktor von ist noch nicht konkurrenzfähig, aber die Betrachtungen für zeigen, dass mit den genannten Verbesserungen des Prototypen ein Konversionsfaktor η0 ≈ 0,70 erreichbar ist.

Die thermische Leistungsfähigkeit kann weiter gesteigert werden durch ➜Verwendung einer optimierten Low-e Beschichtung, ➜einer verbesserten Rückwanddämmung, ➜einer Argon-Füllung im Scheibenzwischenraum und durch weitere Optimierungen.Verschiedene technische Lösungen für die Konstruktion der Zweischeibenanordnung sind möglich, wobei ein Schwerpunkt der zukünftigen Arbeit die Isolierverglasung mit abgeschlossenem Scheibenzwischenraum sein wird.

Bewertungsmöglichkeiten für HFK

Der Einsatzbereich des HFK wird sich auf höhere Temperaturen als bisherige Flachkollektoren erstrecken, die Stagnationstemperatur von HFK wird mindestens 40 K höher liegen als die von üblichen Flachkollektoren. Zur Bewertung der Eigenschaften von HFK und anderer Hocheffizienzkollektoren sind am ISFH im Jahr 2007 mehrere Anlagen aufgebaut worden, die die zukünftigen Entwicklungsarbeiten unterstützen.

Temperaturdifferenz-Belastungsteststand

An die Isolierverglasung von HFK werden bezüglich ihrer Gebrauchstauglichkeit hohe Anforderungen gestellt. Dabei sind im Besonderen die hohen Temperaturunterschiede von der inneren zur äußeren Scheibe und die Temperaturbeständigkeit der abdichtenden Abstandshalterungen von Bedeutung. Zur Bewertung der Isolierverglasung sind zyklische Belastungen mit hohen Temperaturdifferenzen während der Entwicklungsphasen unabdingbar. Der für diese Zwecke errichtete Teststand ermöglicht das Prüfen von bis zu einer Größe von 1,25 m × 2,30 m, wobei auf der Heizseite Temperaturen bis 350° C und auf der Kühlseite 10-80° C realisiert werden können. Der Prüfstand ist auf jeden Winkel zwischen 0° und 90° einstellbar.

Klimakammer mit Sonnensimulation

Die Klimakammer mit einer Ausdehnung von 5 m × 3 m × 3 m ist ein begehbarer Prüfstand zur Durchführung von Gebrauchstauglichkeitsuntersuchungen an Sonnenkollektoren sowie an Verglasungen und anderen Kollektorkomponenten in üblicher Modulgröße. In der Klimakammer können für bis zu sechs Kollektoren extreme Bedingungen erzeugt werden: ➜Zyklische Temperaturbelastungen im Bereich von -20° C bis +80° C bei einer relativen Luftfeuchte bis 95% ➜Integration eines Sonnensimulators mit einer Bestrahlungsstärke von 1000 W/m2 und einem hohem UV-Anteil➜Beregnungstests innerhalb der Klimakammer➜Kollektorbetrieb durch gezieltes Heizen oder Kühlen des Absorbers (von 20° C bis 160° C) ➜Variable Kombination mehrerer gleichzeitig auftretender Belastungen

Hochtemperatur-Thermostate

Zur Untersuchung des Wirkungsgrads von Hocheffizienzkollektoren stehen insgesamt vier Thermostate zur Verfügung, von denen drei mit Wasser als Wärmeträger bei Kollektoreintrittstemperaturen von 15° C bis 175° C (Regelgenauigkeit ± 0,05° C) und einer mit Glykol als Wärmeträger bis 160° C betrieben werden. Kollektoren bis zu einer Fläche von 10 m2 können mit Volumenströmen von 50 bis 1000 l/h bei einer Regelgenauigkeit von 1% unter Normbedingungen im Außen- und Innentest vermessen werden.

Energiedurchlassgrad und Wärmeverlustkoeffizient

Isolier- oder Doppelverglasungen, wie sie für HFK geplant sind, können durch die beiden Kenngrößen Gesamtenergiedurchlassgrad (g-Wert) und Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) charakterisiert werden. Üblicherweise werden der g- und der U-Wert in zwei unterschiedlichen Apparaturen bestimmt, die jeweils eine sehr aufwendige Messtechnik erfordern. Da beide Aufbauten konstruktiv ähnlich sind und auf ähnlichen Messprinzipien mit energetischer Bilanzierung beruhen, ist am ISFH ein Prüfstand entwickelt worden, der sowohl die Messung des g-Wertes als auch die Bestimmung des U-Wertes ermöglicht. Der Prüfstand ist geeignet für die Aufnahme von Prüflingen von maximal 1,40 m × 2,20 m; der gesamte Stand kann in einem Bereich zwischen 0° bis 90° beliebig geneigt und fixiert werden.