Development of a Concentrating Hybrid Solar Collector based on the Approach of Spectral Splitting: Concept Development, Modelling, Material Research, Prototyping and Performance Validation

Die Notwendigkeit zur Transformation der globalen Energieversorgung von fossilen zu erneuerbaren Quellen steht außer Zweifel. Da die Hälfte des weltweiten Endenergiebedarfes in Form von Wärme nachgefragt wird, kann die Energiewende nur gelingen, wenn der Wärmebedarf durch emissionsfreie Technologien gedeckt werden kann. Für den industriellen Sektor wird diese Aufgabe zusätzlich erschwert, da Prozesswärme auf hohem Temperaturniveau benötigt wird. Andererseits führt die fortschreitende Elektrifizierung zu steigendem Bedarf an elektrischer Energie. Die Umwandlung von Solarstrahlung in Nutzenergie durch die bereits verfügbaren Solartechnologien Photovoltaik (PV) und Solarthermie (ST) ist eine zentrale Maßnahme für eine zukünftige nachhaltige Energieversorgung. Die Kombination beider Technologien in einer Komponente durch photovoltaisch-thermische (PVT) Kollektoren kann für passende Anwendungen vorteilhaft sein, jedoch ist die Bereitstellung von Wärme mit Temperaturen über 85°C mit solchen Hybridsystemen bisher schwierig. Das in dieser Dissertation beschriebene Forschungsprojekt hatte zum Ziel, einen konzentrierenden PVT-Kollektor (CPVT) zu entwickeln, der industrielle Solarwärme und elektrischen Strom gleichzeitig bereitstellen kann. Die Basis dafür war ein an der FH OOE in Wels, Österreich, verfügbarer linearer Fresnel-Konzentrator mit einer Spiegelfläche von 11 m². Die Hauptaufgabe des Projektes lag in der Entwicklung eines CPVT-Receivers, passend für das Fresnel Spiegelfeld. Das Konzept „Spectral Splitting“ wurde gewählt, um die grundlegende Diskrepanz derartiger Hybridsysteme zu adressieren, dass der thermische und der elektrische Teil gegensätzliche Temperaturanforderungen aufweisen. Basierend auf dem Stand der Technik in diesem Forschungsfeld wurden mögliche Receiver-Ausführungen konzeptioniert und das beste Receiver-Konzept als Basis für die folgende Projektphase der Modellierung ausgewählt. Hierbei wurde ein optisches Modell für den Fresnel-Konzentrator, ein elektrisches Modell für die Optimierung der Spectral Splitting Konfiguration und ein thermisches Modell für die Berechnung der thermischen Leistungsfähigkeit des CPVT-Kollektors in MATLAB™ entwickelt. Neben den theoretischen Untersuchungen war die experimentelle Umsetzbarkeit eine wesentliche Anforderung an das Projekt. Materialuntersuchungen wurden mit Fokus auf ein neuartiges Wärmeträgermedium durchgeführt, das gleichzeitig als flüssiger Teil des optischen Filters zur Realisierung von Spectral Splitting dient. In der Folge wurde ein Prototyp des entwickelten CPVT-Receivers aufgebaut und über dem Fresnel Spiegelfeld installiert. Die durchgeführten Vermessungen bestätigen die gleichzeitige Bereitstellung von industrieller Solarwärme und elektrischem Strom aus dem neuartigen CPVT-Kollektor. Die thermische Leistungsfähigkeit des Systems zeigt einen klaren Fortschritt im Vergleich zum Stand der Technik, da ein thermischer Wirkungsgrad von 33,28 % bei einer Fluid-Temperatur von 150°C erreicht werden konnte. Der elektrische Teil des Receivers bietet einen Wirkungsgrad von 1,73 %, der in einer Weiterführung der Forschungsarbeit durch Anpassung der verwendeten PV-Module an die konzentrierte Strahlung verbessert werden soll. Die Wirksamkeit der implementierten thermischen Entkopplung zwischen elektrischem und thermischem Teil konnte bestätigt werden, da bei einer Fluid-Temperatur von 150°C die Temperatur der PV-Module auf 47,3°C limitiert werden konnte.