Entwicklung eines Hybrid-Receivers für einen Fresnel-Kollektor durch Integration von Spectral Splitting

Bearbeiter: Alois Resch

Betreuer: Wolfgang Streicher, Rainer Pfluger

Kurzfassung

Fresnel-Kollektor
Fresnel-Kollektor mit Hybrid-Receiver auf dem Dach der FH OÖ in Wels

Hybride Solarkollektoren vereinen die beiden aktuell bekannten Solartechnologien in einer Komponente und stellen damit eine Kombination aus Photovoltaik (PV) und Solarthermie dar. Bisher verfügbare Hybrid-Kollektoren zeigen aufgrund ihrer kompakten Konstruktion aber die Diskrepanz, dass der thermische und der elektrische Teil sich auf ähnlichen Temperaturen befinden, sodass entweder die PV mit schlechtem Wirkungsgrad arbeitet oder die Ausgangstemperatur des thermischen Teils zu gering für viele Wärmesenken (z.B. Warmwasserbereitung) ist. Die Unterstützung von industriellem Energiebedarf mit einem konventionellen Hybrid-Kollektor scheitert bisher ebenfalls an der Begrenzung der verfügbaren Ausgangstemperatur dieser Systeme.

Die Dissertation beschäftigt sich daher mit der Entwicklung eines Hybrid-Kollektors, der gleichzeitig industrielle Solarwärme bis 200°C und Solarstrom generieren soll. Das zentrale Konzept dabei ist die Aufspaltung der konzentrierten Solarstrahlung in mehrere Wellenlängenbereiche durch Anwendung eines optischen Absorptionsfilters. Der elektrische Teil des Receivers wird dabei nur mit jenem Spektralband beaufschlagt, das die eingesetzte PV-Technologie (biegsame CIGS-Zellen) mit maximalem Wirkungsgrad in elektrischen Strom umwandeln kann. Hingegen werden nur die Bereiche des Spektrums, die aufgrund unpassender Energieniveaus der Photonen nur sehr wenig zur Stromproduktion beitragen und zu einer Temperaturerhöhung der PV-Zellen führen, im thermischen Teil des Receivers direkt in Wärme umgewandelt. Zusätzlich sorgt eine thermische Entkopplung für eine Reduktion der unerwünschten internen Wärmeübertragung zwischen den beiden Receiver-Teilen.

Das Forschungsprojekt gliedert sich in vier Phasen:

  • Konzeptionierung des Receiver-Aufbaus
  • Vollständige Modellierung des Kollektors (optisch, thermisch, elektrisch)
  • Materialuntersuchung
  • Prototypenbau, Vermessung und Abgleich mit den Simulationsergebnissen

Die bereits durchgeführte Vermessung des Prototyps auf einem Fresnel-Spiegelfeld auf dem Dach der Fachhochschule Oberösterreich in Wels konnte die Funktionsfähigkeit des Receiver-Konzeptes bestätigen. Bei einer gemessenen Fluid-Temperatur von 160°C erreichten die PV-Zellen eine Temperatur von 70°C, was ihrem spezifizierten Temperaturbereich entspricht.

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