PVT-Versuchsanlage

PVT-Versuchsanlage auf dem Campus der ZHAW Wädenswil

Ausgangslage und Motivation

Neben den klassischen Photovoltaik (PV)- und Solarthermie (T)-Modulen gibt es seit einigen Jahren auch Hybridmodule (PVT), die beide Technologien vereinen. Höhere Energieausbeute pro Flächeneinheit stehen dabei höheren Anforderungen an die Haustechnik und höheren Investitionskosten gegenüber. Aufgrund der typischerweise relativ tiefen Rücklauftemperaturen der Hybridmodule sind sie nicht für alle thermischen Anwendungsgebiete geeignet, wie zum Beispiel für die klassische Brauchwassererwärmung. Viel eher eignen sie sich für Niedertemperaturanwendungen wie zum Beispiel zur Wasservorwärmung, als Wärmequelle für eine Wärmepumpe oder auch zur thermischen Regeneration des Erdreiches beim Einsatz von Erdwärmesonden.

Klassische Anwendungen von PVT-Modulen. System "Kaltwasserspeicher" und System "Erdspeicher". Vergrösserte Ansicht. — Klassische Anwendungen von PVT-Modulen

Es gibt noch wenig Erfahrung aus der Praxis und die Anbieter von PVT-Modulen versprechen zum Teil physikalisch schwer erklärbare Leistungen ihrer Module, insbesondere im thermischen Bereich. Mit der Versuchsanlage an der ZHAW Wädenswil werden deshalb unter realen Umweltbedingungen Leistungen und Erträge von unterschiedlichen PVT-Modulen gemessen und direkt verglichen. Anhand der Messergebnisse und Erfahrungen sollen Rückschlüsse auf optimale Einsatzgebiete und ggf. Regeloptimierungen erarbeitet werden.

Auf einen Blick

Projektleiter: Jürg Rohrer
Projektteam: Kevin Arm, Sven Strebel
Projektbeginn: 01.07.2014

Hintergrundinformation zu PVT-Modulen

PVT-Modul der Meyer Burger AG mit rückseitigem Absorber. Foto: Meyer Burger Technology AG

Hybrid- oder PVT-Module erzeugen auf derselben Fläche sowohl Strom als auch Wärme und erlauben deshalb pro Flächeneinheit mehr Energie zu ernten als reine PV-Module. Sie eignen sich insbesondere dann, wenn ein Wärmebedarf auch im Sommer besteht oder die Wärme gut saisonal gespeichert werden kann. Diese Idee wird seit über 30 Jahren verfolgt, konnte sich aber bisher auf dem Markt einerseits aus wirtschaftlichen, andererseits aus technischen Gründen nicht wirklich durchsetzen.

Man unterscheidet zwischen abdeckten Hybridmodulen für die Wärmeerzeugung bei hohen und unabgedeckten Hybridmodulen für die Wärmeerzeugung bei niedrigen Temperaturen. Am häufigsten werden unabgedeckte Hybridmodule im Zusammenhang mit Erdwärmesonden und einer Wärmepumpe zur Gebäudeheizung und Warmwassererzeugung eingesetzt. Dadurch sollen Erdwärmesonden regeneriert werden und im Winter höhere Temperaturen für die Wärmepumpe liefern, sodass ihre Jahresarbeitszahl (JAZ) verbessert wird. In der Schweiz wird dieses Konzept von der ETHZ (Prof. Hj. Leibundgut) und der Firma Meyer Burger AG beziehungsweise 3S propagiert. Mehrere Pilotanlagen sind bereits in Betrieb.

Das Problem der saisonalen Wärmespeicherung entfällt, wenn die Wärme auch im Sommer verwendet werden kann. Dies ist typischerweise zum Beispiel bei Spitälern, Sportzentren, Hallenbädern der Fall. Nicht publizierte Untersuchungen der ZHAW Wädenswil haben gezeigt, dass Hybridmodule beim heutigen Preisstand für viele Anwendungen noch nicht wirtschaftlich sind. Die gleichzeitige Nutzung der solaren Wärme wäre energetisch sinnvoll, der energetische Mehrertrag vermag aber die höheren Kosten der Hybridmodule gegenüber PV-Modulen nicht zu kompensieren. Von den Herstellern wird demgegenüber häufig argumentiert, die elektrische Leistungsverbesserung und der Wärmeertrag seien in der Praxis so hoch, sodass sich der Einsatz von Hybridmodulen bereits heute wirtschaftlich lohne.

Die PVT-Versuchsanlage im Freien verfügt über zwei Modulfelder mit jeweils maximal zwei parallel geschalteten PVT-Modulen. Die Neigung der Module ist variabel zwischen 5° und 90° einstellbar. Die Vorlauftemperatur kann zwischen -5° und 25° Celsius und der Durchsatz der Modulfelder separat eingestellt werden. Mittels Durchflussmeter und Temperaturfühler vor und nach den PVT-Modulen kann der thermische Ertrag berechnet werden. Die elektrische Leistung der PVT Modulen wird über eine Kennlinienmessung erfasst, aus der jeweils die maximale elektrische Modulleistung resultiert. Der Betrieb der Anlage wird unter anderem durch einen grossen Speicher mit einem Glykol-Wassergemisch und einer Wärmepumpe realisiert. Die thermische Energie wird an die Umgebung abgegeben. Ein vereinfachtes Anlagenschema kann der folgenden Abbildung entnommen werden.

Neben den thermischen und elektrischen Messgrössen werden auch Lufttemperatur und -feuchte, Windgeschwindigkeit, Globalstrahlung horizontal und in Kollektorebene sowie der atmosphärischen Gegenstrahlung aufgezeichnet.

Vereinfachtes Anlagenschema der PVT-Versuchsanlage auf dem Campus Grüental der ZHAW Wädenswil. Vergrösserte Ansicht. — Vereinfachtes Anlagenschema der PVT-Versuchsanlage auf dem Campus Grüental der ZHAW Wädenswil

Projektziele

Mit der PVT-Versuchsanlage soll die Eignung von Hybridmodulen für verschiedene Anwendungsgebiete eruiert werden und letztendlich Hinweise zu deren Weiterentwicklung geben. Nebst der klassischen Nutzung von solarthermischen Modulen soll mit der Versuchsanlage die Verwendung weiterer Wärmequellen untersucht werden. So können PVT-Module auch bei der Abwesenheit von Solarstrahlung einen thermischen Ertrag aufweisen, indem Umgebungswärme genutzt wird. Oder aber die PVT-Module werden zur Kühlung eingesetzt, indem die Umgebung als Wärmesenke genutzt wird.

Mit der Versuchsanlage werden die energetischen Erträge für die verschiedenen Nutzungen quantifiziert und relevante Anlagenparameter und -regelung optimiert. Neben der Fachgruppe für Solartechnik steht die Anlage auch für studentische Arbeiten offen.