Solardachpfanne.NRW ‐ Dezentrale Strom‐ und Wärmeversorgung made in NRW

Im Projekt Solardachpfanne.NRW wurde das Konzept der Solarthermie in Kombination mit der Photovoltaik technologisch umgesetzt welches dabei eine hohe Funktionsintegration erreicht (Sturmsogsicherung, automat. Abschaltung im Brandfall, …). Ziel des Projektes war die Erforschung der technologischen Grundlagen, um die Solardachpfanne (SDP) so zu entwickeln und zu optimieren, dass sie in einer späteren Massenfertigung produziert und wie eine herkömmliche Dachpfanne eingesetzt werden kann. Dabei muss die Solardachpfanne zahlreiche Eigenschaften aufweisen wie hohe Effizienz, Hitzebeständigkeit, Begehbarkeit, sehr lange Lebensdauer, Recyclingfähigkeit und Brandschutz. Im Fokus standen in der Entwicklungsphase sowohl die einzelne Solardachpfanne als auch das Gesamtsystem, also die Serienschaltung mehrerer Solardachpfannen. Mit Abschluss der Entwicklungsphase befindet sich der Prototypenaufbau, zusammen mit einer konventionelle Vergleichsdachfläche, aktuell in einer einjährigen Messphase. In diesem Jahr wird die Leistungsfähigkeit des Systems im realistischen Langzeit-Versuch vergleichbar untersucht um damit die Wirtschaftlichkeit für unterschiedliche Verbraucher-profile in Hinblick auf eine optimale Betriebsstrategien der SDP zu ermitteln (Abbildung 1). Weiterhin können Alterung und Verschleiß untersucht werden.

Abbildung 1. Testdach mit Solardachpfannen (Bild: Münzberg, paXos Consulting & Engineering GmbH & Co. KG)

Solardachpfanne (SDP) auf einen Blick:

• Optisch ansprechende, einfache Eindeckung der Dachfläche
• Hohe Hagel-, Sturm- und Betretungs-Festigkeit
• Brandsicher nach VKF
• Kombination von PV und Solarthermie mit Wärmepumpe möglich
• Hohe Energieeffizienz

Zur Bestimmung der mechanischen Robustheit und des Trageverhaltens der SDP wurden CAD-Simulationen genutzt um im Vorfeld relevante Belastungsfälle, wie z.B. das Betreten der Dachfläche oder Hagelschlag zu simulieren (Abbildung 1.1). Dabei wurden z.B. Dachneigungen, Glasdicken, Produktspezifikationen der Materialien und Temperaturabhängigkeiten untersucht.

Abbildung 1.1. Simulierte Kräfte im Glas bei verschiedenen Belastungsfällen wie Betreten (unten) und Hagel (rechts oben) (Bild: Recinos Tabora & Kasper, TH Köln)

Abbildung 1.2 zeigt exemplarisch, wie diese Ergebnisse in Laborversuchen verifiziert, und zudem auf elektrische Leistungsfähigkeit unter mechanischer Belastung der Solarzellen untersucht wurden.

Zur Optimierung der solaren Einkoppelung, wurden die optischen Verluste bei der SDP zunächst bei verschiedenen Reflexionskurven („Incidence Angle Modifier“) in einem experimentellen Versuchsaufbau analysiert (Abbildung 2.1). Damit konnten die optischen Verluste durch optimale Glas- und Materialauswahl minimiert werden.

Abbildung 2.1. Messungen der relativen winkelabhängigen Reflexionskurven unterschiedlicher Glasabdeckungen ohne (links) und mit (rechts) Berücksichtigung des Transmissionsgrades (Bild: Clasing, TH Köln)

Zudem wurden Strömungsmodellen, gekoppelt mit Energiemodellen u. a. genutzt um eine Optimale Kombination aus Zell- und Schindeltypen zu ermitteln. Auch die Abwärmenutzung der SDP in Kombination mit einer Wärmepumpe wurden systemisch detailliert analysiert (Abbildung 2.2).

Für die Erstellung und Bewertung von Energiekonzepten mit der Solardachpfanne wurde ein Modell des Energiesystems unter Berücksichtigung topologischen Freiheitsgrade erstellt (Abbildung 3.1). Als Eingangsdaten wurden Test-Referenz-Jahre für die Solarzellen, als auch Wärmebedarfsprofil des Hauses genutzt um daraus optimierte Betriebsstrategie des Energie- und Kühlsystems zu ermitteln. Z.B. für einen Betrieb mit Wärmepumpe und thermischem Speicher.

Abbildung 3.1. Schematische Darstellung des erstellten Energieflussmodells (Bild: Brosig, TH Köln)

Abbildung 3.2 zeigt die prozentuale Abweichung zwischen dem COP der Wärmepumpe mit und ohne SDP und dient der Veranschaulichung möglicher Verbesserungen des COP, welcher punktuelle um etwa 23 % erhöht werden kann.

Abbildung 3.2. Prozentuale Abweichung zwischen dem COP der Wärmepumpe mit und ohne SDP (Bild: Brosig, TH Köln)

Zudem wurden die Einbindung in ein „Smart Home“-System, die rechtliche Einordnung bezüglich geltender Gesetze und die Möglichkeiten der Zertifizierungen wie Cradle-to-Cradle (C2C) Zertifizierung untersucht.

Das Testdach ist mit zwei unabhängigen Strängen aus seriell geschalteten SDP ausgestattet, einer mit jeweils einem Standard-Anschlusskasten (Abbildung 4.1, links), der andere mit einem Micro-Converter, welcher als MPP-Tracker fungiert (Abbildung 4.1, rechts). Neben der Robustheit und den Sicherheitsfunktionen kann der Micro-Converter die Effizienz des Gesamtsystems erhöhen, indem er Unterschiede der Zellen, wie Teilverschattungen, ausgleicht.

Abbildung 4.1. Testdach mit 2 Strängen mit jeweils 96 Solardachpfannen (links) und Prinizip des eingesetzten Micro-Converter (rechts) (Bild: Jöntgen & Dick, TH Köln)

Das Hauptziel bei der Entwicklung des integrierten Wandlers sind niedrige Kosten bei hoher Energieeffizienz und geringer Leistungsaufnahme. Eine reduzierte Taktfrequenz des Mikrocontrollers von 5 MHz minimiert die Leistungsaufnahme auf 75 mW. Es wird ein Wirkungsgrad von bis zu 98 % erreicht, selbst unter ungünstigen Bedingungen (z.B. starke Teilabschattung) liegt der Wirkungsgrad noch über 85 % (Abbildung 4.2).