PVT-Kollektoren: Berechnung und Validierung

Wie werden PVT-Profile in nPro berechnet?

Die Berechnung von Wärme- und Stromprofilen basiert auf den nPro-Berechnungsmodellen für Solarthermie und Photovoltaik, wobei die Berechnung beider Profile für PVT-Kollektoren aufgrund der gegenseitigen Beeinflussung gekoppelt betrachtet werden muss. Für die Wärmeerzeugungsprofile verwendet nPro die Norm ISO 9806. Dabei unterstützt nPro verschiedene Berechnungsansätze: ISO 9806:2017 sowie drei Berechnungsmethoden auf Basis der ISO 9806:2013: quasi-dynamisch, stationär und nicht-abgedeckt. Im Folgenden werden die Formeln angegeben.

Formeln für die Wärmeerzeugung auf Grundlage der ISO 9806

• ISO 9806:2017: Die neueste Berechnungsnorm: \begin{gathered} q=\eta_{0, b} K_b\left(\theta_L, \theta_T\right) G_b+\eta_{0 . b} K_d G_d-a_1\left(T_m-T_a\right)-a_2\left(T_m-T_a\right)^2\\ -a_3 u^{\prime}\left(T_m-T_a\right)+a_4\left(E_L-\sigma T_a^4\right)-a_6 u^{\prime} G-a_7 u^{\prime}\left(E_L-\sigma T_a^4\right)\\ -a_8\left(\vartheta_m-T_a\right)^4 \end{gathered}
• ISO 9806:2013: Quasi-dynamischer Ansatz: Diese Methode umfasst dynamische Simulationen, die Einblicke in das Verhalten des Systems im Laufe der Zeit geben und Schwankungen der Sonneneinstrahlung und anderer Variablen berücksichtigen. Sie ist besonders nützlich, um die Dynamik des Systems mitzuerfassen. \begin{gathered} q=\eta_{0, b} \cdot K_{\theta, b}\left(\theta_L, \theta_T\right) \cdot G_b+\eta_{0, b} \cdot K_{\theta, d} \cdot G_d-c_6 \cdot u \cdot G \\ -c_1 \cdot\left(T_m-T_a\right)-c_2 \cdot\left(T_m-T_a\right)^2-c_3 \cdot u \cdot\left(T_m-T_a\right)+c_4 \\ \cdot\left(E_L-\sigma \cdot T_a^4\right) \end{gathered}
• ISO 9806:2013: Stationärer Ansatz: Im Gegensatz zu dynamischen Simulationen vereinfacht die Methode des stationären Zustands die Analyse, indem sie von konstanten Bedingungen ausgeht. Dies ist wertvoll für schnelle Abschätzungen und Vergleiche unter vergleichsweise konstanten Randbedingungen. \begin{gathered} q=G \cdot \eta_0-a_1 \cdot\left(T_m-T_a\right)-a_2 \cdot\left(T_m-T_a\right)^2 \end{gathered}
• ISO 9806:2013: Nicht-abgedeckter Kollektor: Diese Methode bezieht sich auf Szenarien, in denen der PVT-Kollektor keine isolierende Glasabdeckung aufweist und so die Wärmeverluste stärker von der Windgeschwindigkeit abhängt. \begin{gathered} q=G^{\prime \prime} \cdot \eta_0 \cdot\left(1-b_u \cdot u\right)-\left(b_1+b_2 \cdot u\right) \cdot\left(\vartheta_m-\vartheta_a\right)\\ G^{\prime \prime}=G+\frac{\varepsilon}{\alpha} \cdot\left(E_L-\sigma \cdot T_a^4\right) \end{gathered}

Vordefinierte Kollektortypen in nPro

In nPro stehen einige vordefinierte Kollektortypen zur Verfügung. Die Modellparameter dieser Module sind im Folgenden aufgeführt und stammen aus der Forschungsstudie von Jonas et al.: "Implementation and Experimental Validation of a Photovoltaic-Thermal (PVT)", EuroSun 2018 Konferenzbericht, DOI: 10.18086/eurosun2018.02.16. Diese Studie verglich experimentelle Daten mit detaillierten Kollektormodellsimulationen in TRNSYS:

• WISC, in nPro als nicht-abgedeckt, ungedämmt bezeichnet
• abgedeckt - ohne rückseitige Wärmeisolierung, in nPro als abgedeckt, ungedämmt bezeichnet
• abgedeckt - mit rückseitiger Wärmeisolierung, in nPro als abgedeckt, gedämmt bezeichnet

Benutzerdefinierte Kollektormodelle

Zusätzlich zu den vordefinierten PVT-Kollektoren unterstützt nPro vier Berechnungsmethoden, um Ihr eigenes PVT-Kollektormodell zu definieren. Diese Berechnungsmethoden sind:

• ISO 9806:2017
• ISO 9806:2013, quasi-dynamisch
• ISO 9806:2013, stationärer Zustand
• ISO 9806:2013, nicht-abgedeckt

Wie wurden die Wärmeerzeugungsprofile validiert?

Die mit nPro generierten Profile wurden mit Erzeugungsprofilen verglichen, die mit dem ScenoCalc-Tool vom SP Technical Research Institute of Sweden für verschiedene Standorte und Ausrichtungen erstellt wurden. Das SP Technical Research Institute of Sweden ist bekannt für die Zertifizierung von Solarthermie-Kollektoren nach dem Solar Keymark-Verfahren. Das Tool ist auf die Betrachtung eines einzelnen Kollektors beschränkt. Es eignet sich jedoch ideal als Grundlage für nahezu jeden Typ von Solarthermiekollektor. Ein Auszug aus der Validierung ist in den folgenden Tabellen dargestellt.

Vergleich von nPro und ScenoCalc

Weitere Validierungsdaten für das thermische Berechnungsmodell finden Sie auf der Dokumentationsseite für solarthermische Kollektoren.

Welche PVT-Kollektortypen können im nPro berechnet werden?

Mit nPro können alle Arten von PVT-Kollektortypen berechnet werden, da die ISO 9806 sehr umfangreich in nPro implementiert wurde. Die folgenden Kollektortypen sind üblich und können in nPro simuliert werden:

• Gedämmte Rückseite, Glasabdeckung: Bei diesem Typ ist die Rückseite des Kollektors gedämmt, um Wärmeverluste zu verringern, während die Vorderseite mit einer Glasscheibe abgedeckt ist, um die Photovoltaikzellen zu schützen und das Sonnenlicht durchzulassen. Die Dämmung trägt dazu bei, die vom Kollektor erzeugte Wärme zu speichern, während die Glasabdeckung es den PV-Zellen ermöglicht, Strom aus dem Sonnenlicht zu erzeugen.
• Gedämmte Rückseite, transparente Dämmschicht: Dieser Typ hat ebenfalls eine Dämmung auf der Rückseite des Kollektors, um Wärmeverluste zu minimieren. Anstelle einer Glasabdeckung wird jedoch auf der Vorderseite ein transparentes Dämmmaterial verwendet. Dieses Material lässt das Sonnenlicht durch und bietet gleichzeitig einige Isolationseigenschaften zur Verringerung der Wärmeverluste. Beispiele für transparente Dämmmaterialen sind Polycarbonat oder Polymethylmethacrylat (PMMA).
• Ungedämmte Rückseite, Glasabdeckung: Bei diesem Typ gibt es keine Dämmung auf der Rückseite des Kollektors. Die Vorderseite des Kollektors ist mit einer Glasscheibe abgedeckt, ähnlich wie bei herkömmlichen Photovoltaikmodulen. Durch die fehlende Dämmung auf der Rückseite kann der Kollektor die Wärme leichter ableiten, doch kann dies auch zu höheren Wärmeverlusten führen. Dieser Kollektortyp wird in der Regel bei Anwendungen eingesetzt, bei denen die Wärmeabfuhr nicht im Vordergrund steht und die Stromerzeugung Vorrang hat.

Wie werden die Stromerzeugungsprofile für PVT-Kollektoren berechnet?

Im PVT-Kollektor wird die Zelle des PV-Moduls durch den Wärmeabsorber auf der Rückseite der Zelle gekühlt. Durch diese Reduzierung der Zelltemperatur erhöht sich die Stromerzeugung im Vergleich zu einem reinen PV-Modul. Die Formeln für die Stromerzeugung basieren auf Forschungsstudien für PVT-Kollektoren, wie z.B. dem Ein-Kapazitäts-Modell, das von Lämmle et al. beschrieben wurde: "PVT collector technologies in solar thermal systems: A systematic assessment of electrical and thermal yields with the novel characteristic temperature approach", Solar Energy, 155, S. 867-879, 2017, DOI: 10.1016/j.solener.2017.07.015. Daher wird die Zelltemperatur in nPro wie folgt berechnet: $$T_{\text {Zelle,PVT }}=T_m+\frac{q_{th}}{U_{\text {Zelle-Fluid }}}$$ Hier bezieht sich, \(U_{\text {Zelle-Fluid }}\) auf den U-Wert (Wärmedurchgang) zwischen der PV-Zelle und dem Fluid des Solarwärmeabsorbers. Für eine detaillierte Beschreibung des PV-Modells verweisen wir auf die Beschreibung des PV-Modells. In der folgenden Tabelle wird die zusätzliche elektrische Leistung des PVT-Moduls beispielhaft für verschiedene Standorte und eine polykristalline PV-Zelle dargestellt.

Quellen

1. Jonas et al.: "Implementation and Experimental Validation of a Photovoltaic-Thermal (PVT)", EuroSun 2018 Conference Proceedings. DOI: 10.18086/eurosun2018.02.16., Online verfügbar: https://jonas-ing.de/wp-content/uploads/2021/02/2018_Eurosun_conf_paper.pdf
2. Lämmle et al.: "PVT collector technologies in solar thermal systems: A systematic assessment of electrical and thermal yields with the novel characteristic temperature approach", Solar Energy, 155, pp. 867-879, 2017, DOI: 10.1016/j.solener.2017.07.015

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