Schlüsselwörter
(Englisch)
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Covered PVT collector; high performance; overheat-protection; IEA-SHC
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Entwicklung eines einfach abgedeckten PVT Kollektors mit hoher elektrischer und hoher thermi-scher Effizienz, welcher dank eines bei ca. 100°C wirksamen Überhitzungsschutzes einfach in ein thermisches System eingebunden werden kann.
Aktive Mitarbeit im neuen IEA SHC Task „PVT Systems“ und Leitung des Subtask D „PVT Systems Performance assessment and dissemination“.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Development of a single glazed PVT collector of high electrical and high thermal efficiency, which can be easily integrated into a thermal system thanks to an overheating protection effective at a temperature level of about 100 ° C. Active participation in the new IEA SHC Task "PVT Systems" and management of Subtask D "PVT Systems Performance assessment and dissemination".
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Das vorliegende Projekt befasst sich mit der Entwicklung eines einfach abgedeckten PVT-Kollektors mit hoher elektrischer und hoher thermischer Effizienz. Dank eines bei ca. 100 °C wirksamen Überhitzungsschutzes kann dieser Kollektor einfach in ein thermisches System eingebunden werden. Das Konzept für den Überhitzungsschutz besteht darin, dass der Absorber, sobald er eine bestimmte Maximaltemperatur erreicht, über einen thermisch aktivierten Hebemechanismus in Kontakt mit der Abdeckscheibe gebracht wird. Damit werden die Wärmeverluste erhöht und die Stagnationstemperatur limitiert. Für den Absorber werden zwei Ansätze verfolgt. Zum einen ein neu entwickeltes Laminat mit kristallinen Siliziumzellen (cSi) und einer Aluminiumrückseite, und zum anderen ein kommerziell erhältliches Laminat mit CIGS-Dünnschichtzellen, ebenfalls mit Aluminiumrückseite. Die Wärmeabnahme erfolgt dabei entweder durch einen aufgeschweissten Aluminiumrohrmäander oder mit einem Fluidkanal in einem Aluminium-Rollbond Doppelblech. Nach ersten Untersuchungen erweisen sich beide Ansätze als technisch machbar. Die Variante mit CIGS-Zellen wird dann jedoch nicht weiterverfolgt, aufgrund der vergleichsweise geringen elektrischen Effizienz im Bereich von 10 %. Für die Variante mit cSi-Zellen werden erfolgreich Absorber in Vollgrösse angefertigt. Eine wesentliche Herausforderung ist die Begrenzung der durch Temperaturänderungen und durch die Hebemechanik verursachte Verformung des Absorberlaminats. Durch die Verwendung von Silikon anstatt EVA zur Verkapselung der PV-Zellen und durch Versteifungsmassnahmen kann jedoch ein über den gesamten Temperaturbereich ebener Absorber angefertigt werden. Nach der Evaluierung einer Reihe möglicher Ansätze für den Aktuator des Überhitzungsschutzes, werden zwei vielversprechende Varianten identifiziert und in Funktionsmustern umgesetzt. Zum einen ein wassergefüllter Edelstahlwellschlauch, dessen temperaturabhängige Längenänderung den Absorber über einen Umlenkmechanismus anhebt, und zum anderen Edelstahlbälge, welche direkt zur Lagerung eines Aluminium-Rollbonds dienen. Letztere werden im gestauchten Zustand mit einem geeigneten Fluid befüllt und heben den Absorber, bei Erreichen einer wählbaren Schalttemperatur, gegen die Scheibe. Es werden zwei komplette Prototypen des PVT-Kollektors mit Überhitzungsschutzmechanismus angefertigt und getestet. Der eine mit EVA- und der andere mit Silikon-verkapselung der PV-Zellen. Bei der thermischen und elektrischen Leistung werden die Zielkriterien erreicht. Die Funktionalität des Überhitzungsschutzes mit Edelstahl Wellschlauch wird demonstriert. Der Überhitzungsschutz resultiert in einer deutlichen Reduktion der Stagnationstemperatur. Damit jedoch der Zielwert von 100 °C erreicht wird, muss der Absorber praktisch vollflächig an der Scheibe anliegen. Dies wird nur durch manuell unterstütztes Anheben des Absorbers, jedoch nicht mit dem automatischen Mechanismus erreicht, da es hier zu Verformungen des Absorbers und damit nicht komplettem Kontakt mit der Abdeckscheibe kommt. Mit einer weiteren Optimierung des Hebemechanismus und Versteifung des Absorbers sollte dieses Problem aber lösbar sein. Thermische Leistungen vergleichbar mit denjenigen eines herkömmlichen, rein thermischen Flachkollektors, können nur erreicht werden, wenn der PVT Absorber mit einer spektral selektiven Schicht zur Reduktion von Wärmeverlusten durch Strahlung versehen wird. In einer ersten Machbarkeitsabklärung werden ITO (InSnO) und IZO (InZnO) als vielversprechende Materialien für eine entsprechende Beschichtung der ETFE-Frontfolie des PVT-Absorbers identifiziert. Die nötige Schichtentwicklung müsste in einem separaten Projekt erfolgen. Parallel zur Kollektorentwicklung erfolgen Simulationen von Energiesystemen für typische Ein- und Mehrfamilienhäuser, basierend auf einer Luft/Wasser-Wärmepumpe, kombiniert mit unterschiedlichen Solarenergieanlagen. Dazu werden die Kombinationen PVT & PV und Solarthermie & PV für realistische Verbrauchsprofile verglichen. Es wird gezeigt, dass der Einsatz von PVT-Kollektoren (PVT & PV) für eine optimale energetische Ausnutzung einer gegebenen Dachfläche deutliche Vorteile bringt. Je nach Dimensionierung können dabei insbesondere bei Mehrfamilienhäusern die Energiegestehungskosten sogar geringer ausfallen als beim Referenzsystem ohne Solaranlage. Zu diesem Projekt gehört ebenfalls die Mitarbeit in IEA SHC Task 60 „PVT Systems“ und in dessen Rahmen die Leitung des Subtasks D „PVT Systems Performance Assessment and Dissemination“. Als Resultate sind hier insbesondere die beiden veröffentlichten Berichte D1 "Key Performance Indicators for PVT-Systems" zur Definition und Nomenklatur von Key Performance Indicators (KPI's) für PVT-Systeme, sowie D2 "Performance Assessment of Example PVT-Systems" über den Vergleich von 24 Beispielanlagen anhand der wichtigsten KPI's zu erwähnen.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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The present project deals with the development of a simply covered PVT collector with high electrical and high thermal efficiency. Thanks to an overheating protection mechanism becoming effective at approximately 100 °C, this collector can be easily integrated into a thermal system. The concept of the overheating protection is that once the absorber reaches a predefined maximum temperature, it is brought into contact with the cover glass via a thermally activated lifting mechanism. This increases the heat losses and limits the stagnation temperature. Two approaches are taken for the absorber design. One is a newly developed laminate with crystalline silicon cells (cSi) and an aluminium back, and the other is a commercially available laminate with CIGS thin-film cells, also with an aluminium back. The heat is collected either through a welded-on aluminium tubular meander or with a fluid channel in an aluminium roll-bond double sheet. After initial investigations, both approaches prove to be technically feasible. However, the variant with CIGS cells is not pursued further due to its comparatively low electrical efficiency in the range of 10 %. For the variant with cSi cells, full-size absorbers are fabricated successfully. A major challenge is to limit the deformation of the absorber laminate caused by temperature changes and by the lifting mechanism. However, by using silicone instead of EVA for PV cell encapsulation, and by adding stiffening elements, it is possible to fabricate an absorber that keeps its flatness over the entire temperature range. After evaluating a number of solution approaches for the actuator of the overheating protection mechanism, two promising options are identified and implemented in prototypes. One is a water-filled corrugated stainless steel hose, whose temperature-dependent change in length lifts the absorber via a deflection mechanism. The other option consists in stainless steel bellows, which are used directly to support an aluminium rollbond. The latter are filled in the compressed state with a suitable fluid and lift the absorber against the cover glass when a defined switching temperature is reached. Two complete prototypes of the PVT collector with overheating protection mechanism are manufactured and tested. One with EVA and the other with silicone encapsulation of the PV cells. The thermal and electrical performances meet the target criteria. The functionality of the overheating protection with corrugated stainless steel tube is demonstrated. The stagnation temperature can be reduced significantly. However, in order to reach the target value of 100 °C, the absorber must be in contact with the cover glass practically over its entire surface. This can only be achieved by manually lifting the absorber, but not with the automatic mechanism, as the latter results in deformations of the absorber and thus incomplete contact with the cover glass. A specific optimisation of the design, however, should solve this problem. A thermal performance comparable to that of a conventional, purely thermal flat-plate collector can only be achieved, if the PVT absorber is endowed with a spectrally selective coating, reducing radiative heat losses. In a first feasibility study, ITO (InSnO) and IZO (InZnO) are identified as promising materials for such a coating on the ETFE front foil of the PVT absorber. The development of such a coating, however, would require a dedicated research project. In parallel to the collector development, simulations of energy systems for typical single-family and multi-family houses are carried out. The systems considered involve an air-to-water heat pump combined with different solar energy systems. The combinations PVT & PV and solar thermal & PV are compared for realistic consumption profiles. It is shown that the use of PVT collectors (PVT & PV) brings significant advantages for an optimal energetic utilisation of a given roof area. Depending on the dimensioning, even the energy production costs can be reduced, especially in multi-family houses. This project also includes the active participation in IEA SHC Task 60 "PVT Systems" and the management of its Subtask D "PVT Systems Performance Assessment and Dissemination". Particularly to be mentioned are the two published reports D1 "Key Performance Indicators for PVT Systems" on the definition and nomenclature of key performance indicators (KPIs) for PVT systems, and D2 "Performance Assessment of Example PVT Systems" on the comparison of 24 existing systems using the most important KPIs.
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Schlussbericht
(Französisch)
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Le présent projet est centré sur le développement d'un capteur PVT à simple vitrage ayant à la fois un rendement électrique et un rendement thermique élevé. Grâce à un mécanisme de protection contre la surchauffe intervenant à environ 100 °C, ce capteur peut être facilement intégré dans un système thermique. Le concept de protection contre la surchauffe consiste à mettre l'absorbeur, dès qu'il atteint une certaine température maximale, en contact avec le vitrage via un mécanisme de levage activé thermiquement. Cela permet d'augmenter la dissipation de la chaleur et de limiter la température de stagnation. Deux approches sont suivies pour l'absorbeur avec toutes deux une face arrière en aluminium. De l'une, un stratifié nouvellement développé avec des cellules en silicium cristallin (cSi). Et de l’autre, un stratifié disponible dans le commerce avec des cellules à couche mince CIGS. La chaleur est récupérée soit par un tube en aluminium en forme de méandre soudé sur la face arrière du stratifié, soit par un canal de fluide dans un rollbond en aluminium. D’après des premières analyses, les deux approches s'avèrent techniquement faisables. La variante avec des cellules CIGS n'est toutefois pas poursuivie en raison de son rendement électrique comparativement faible, de l'ordre de 10 %. Pour la variante avec des cellules cSi, des absorbeurs de taille réelle sont fabriqués avec succès. L'un des défis principaux est de limiter la déformation de l'absorbeur induite par les changements de température et le mécanisme de levage. L'utilisation de silicone à la place de l'EVA pour encapsuler les cellules photovoltaïques et des mesures de rigidification permettent toutefois de fabriquer un absorbeur restant plat sur toute la gamme de températures. Après l'évaluation d'une multitude d'approches de solution pour l'actionneur du mécanisme de protection contre la surchauffe, deux variantes prometteuses sont retenues et mises en oeuvre dans des prototypes. D'une part, un tuyau ondulé en acier inoxydable rempli d'eau, dont la variation de longueur en fonction de la température soulève l'absorbeur par le biais d'un mécanisme de déviation. Et d'autre part, des soufflets en acier inoxydable qui servent directement de support à un rollbond en aluminium. Ces derniers sont remplis d'un fluide approprié lorsqu'ils sont comprimés et soulèvent l'absorbeur contre la vitre lorsqu'un seuil de température prédéfini est atteint. Deux prototypes complets de capteurs PVT avec mécanisme de protection contre la surchauffe sont fabriqués et testés. L'un avec un encapsulage des cellules PV en EVA et l'autre avec un encapsulage en silicone. Les objectifs de performance thermique et électrique sont atteints. La fonctionnalité du mécanisme avec tuyau ondulé en acier inoxydable est démontrée. Ce mécanisme permet de réduire considérablement la température de stagnation. Toutefois, pour atteindre la valeur cible de 100 °C, l'absorbeur devrait être en contact avec la vitre sur pratiquement toute sa surface. Cela n'est obtenu qu'en soulevant l'absorbeur manuellement, car le mécanisme automatique entraîne des déformations de l'absorbeur et donc un contact incomplet avec la vitre. Une optimisation ciblée de la construction devrait cependant permettre de résoudre ce problème. Des performances thermiques comparables à celles d'un capteur conventionnel purement thermique ne peuvent être atteintes que si l'absorbeur PVT est doté d'un revêtement à sélectivité spectrale pour réduire les pertes de chaleur par rayonnement. Lors d'une première étude de faisabilité, l'ITO (InSnO) et l'IZO (InZnO) sont identifiés comme des matériaux prometteurs pour un tel revêtement du film frontal en ETFE de l'absorbeur PVT. Le développement d'un revêtement de ce type nécessiterait cependant un projet séparé. Parallèlement au développement des capteurs, des simulations de systèmes énergétiques pour des maisons individuelles et des immeubles collectifs types sont effectuées. Les systèmes comprennent une pompe à chaleur air/eau, combinée à différentes installations d'énergie solaire. Pour des profils de consommation réalistes, les combinaisons PVT & PV et solaire thermique & PV sont comparées. Il est démontré que l'utilisation de capteurs PVT (PVT & PV) présente des avantages significatifs pour une exploitation énergétique optimale d'une surface de toiture donnée. Selon le dimensionnement, même les coûts de production d'énergie peuvent être réduits, en particulier dans le cas d'immeubles collectifs. Ce projet inclut également une participation active à la tâche 60 de l'AIE SHC "PVT Systems" et, dans ce cadre, la direction de la sous-tâche D "PVT Systems Performance Assessment and Dissemination". Parmi les résultats, on peut citer les deux rapports publiés D1 "Key Performance Indicators for PVT-Systems" sur la définition et la nomenclature des Key Performance Indicators (KPI) pour les systèmes PVT, ainsi que D2 "Performance Assessment of Example PVT-Systems" sur la comparaison de 24 installations existantes à l'aide des principaux KPI.
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