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May 04, 2023

Detaillierte Modellierung eines Flachkollektors mit Vakuumverglasung

Datum: 20. März 2023 Autoren: Viacheslav Shemelin und Tomas Matuska Academic

Datum: 20. März 2023

Autoren: Viacheslav Shemelin und Tomas Matuska

Wissenschaftlicher Herausgeber: Stoian Petrescu

Quelle: Hindawi | https://doi.org/10.1155/2017/1587592

Es wird eine theoretische Analyse von Flachkollektoren mit Vakuumverglasung vorgestellt. Verschiedene Konfigurationen des Kollektors wurden anhand eines detaillierten theoretischen Modells untersucht, das auf einer kombinierten externen und internen Energiebilanz des Absorbers basiert. Es wurden Leistungsmerkmale für Alternativen zu Vakuum-Flachkollektoren abgeleitet. Anschließend wurden für eine ausgewählte Variante die jährlichen Energiegewinne ausgewertet und mit modernen Vakuumröhrenkollektoren verglichen. Die Ergebnisse der Modellierung deuten darauf hin, dass bei Verwendung fortschrittlicher Vakuumverglasungen mit optimierter Niedrigemissionsbeschichtung (Emissionsgrad 0,20, Solartransmissionsgrad 0,85) ähnliche oder sogar bessere Effizienzparameter als bei Vakuumröhrenkollektoren erzielt werden können. Das in diesem Artikel vorgestellte Design kann als vielversprechend für die Erweiterung des Anwendungsbereichs von FPC angesehen werden und könnte in Anwendungen eingesetzt werden, die ein niedriges bis mittleres Temperaturniveau erfordern.

Die thermische Nutzung der Sonnenenergie zur Gewinnung von Wärme aus Sonnenlicht ist eine der ältesten Methoden der Energieumwandlung. Diese Technologie ist seit langem bekannt und wird teilweise sogar unbewusst eingesetzt. Es wurde in den letzten 45 Jahren wiederentdeckt und erneut verwendet. Heute ist es anwendungsreif, doch nach dieser kurzen Wachstumszeit besteht in diesem Bereich großes Entwicklungspotenzial, insbesondere im Bereich der Solarkollektoren.

Derzeit ist der am weitesten verbreitete Solarkollektortyp in Europa ein Solarflachkollektor (FPC). Einfache Struktur, hohe optische Effizienz, niedrige Kosten und sicherer Betrieb sind seine Hauptmerkmale. FPC ist jedoch in der Regel für ein niedriges Temperaturniveau zwischen 40 °C und 60 °C ausgelegt, was meist bei der Warmwasserbereitung für den Hausgebrauch der Fall ist. Jede Verschiebung hin zu einem höheren Temperaturniveau könnte zu einer Erweiterung des Anwendungsbereichs von FPC führen. Daher werden weiterhin Anstrengungen unternommen, um die Leistung von Flachkollektoren zu verbessern. Die Leistung eines Flachkollektors wird maßgeblich durch die Wärmeverluste vom Absorber an die Umgebung über die transparente Abdeckung beeinflusst. Eine Möglichkeit, diesen Wärmeverlust zu reduzieren, besteht darin, die natürliche Konvektionswärmeübertragung im Raum zwischen Absorber und Abdeckung durch dessen Unterteilung durch den Einsatz zusätzlicher Glasscheiben, Kunststofffolien oder transparenter Isoliermaterialien (TIM) zu reduzieren. Eine andere Möglichkeit, diesen Wärmeverlust zu reduzieren, besteht darin, Gas mit geringerer Wärmeleitfähigkeit anstelle von Luft zu verwenden oder den Raum zu evakuieren.

Veinberg BP und Veinberg VB [1] untersuchten die Verwendung von „tiefen schmalen Maschen“ als solartransparente Wabenisolierung. Darüber hinaus stellte Hollands [2] die theoretischen Leistungsmerkmale einer Zellwabe als Konvektionsunterdrückungsvorrichtung vor, die zwischen dem Absorber und der äußeren Glasabdeckung des FPC platziert ist. Tabor [3] präsentierte ein kurzes Bild der zellulären Wabenkonstruktion und wies darauf hin, dass für den erfolgreichen Einsatz der Wabenisolierung ein Material mit besseren physikalischen Eigenschaften und Herstellungstechniken erforderlich ist. Später zeigten Rommel und Wagner [4], dass FPC mit 50–100 mm dicken Polycarbonat-Wabenschichten bei einer Fluid-Arbeitstemperatur zwischen 40 und 80 °C gut funktionieren. Kessentini et al. [5] stellten einen FPC mit transparenter Kunststoffisolierung und kostengünstigem Überhitzungsschutzsystem vor, der für die Wärmeversorgung von 80 bis 120 °C ausgelegt ist. Mit Glaswaben sind auch höhere Arbeitstemperaturen bis zu 260 °C möglich, da Kunststoffabdeckungen bei Temperaturen über 120 °C zum Schmelzen neigen.

Svendsen und Jensen [6] und Svendsen [7] zeigten experimentell, dass die Effizienz solarer FPC erheblich verbessert werden kann, indem der Luftspalt zwischen Absorber und Abdeckung mit einem monolithischen Silica-Aerogel gefüllt und auf 10 kPa evakuiert wird. Duan [8] untersuchte die Reduzierung des Wärmeverlusts auf der Vorderseite durch die Platzierung der Aerogelschicht zwischen der transparenten Abdeckung und der Absorberplatte und zeigte eine Steigerung der Kollektoreffizienz um 21 % im Vergleich zum herkömmlichen Kollektor. Diese Studien haben gezeigt, dass konvektive Wärmeverluste durch den Einsatz von TIM aufgrund der Aufteilung des Raums zwischen Absorber und Abdeckung, die den Wärmetransport durch Konvektion einschränkt, deutlich reduziert werden und somit eine höhere Leistung von FPC erzielt werden konnte. Die Testergebnisse waren ermutigend und es wurde eine Leistung erzielt, die mit der von Vakuumröhrenkollektoren vergleichbar ist.

Dennoch sind die meisten verfügbaren transparenten Dämmstoffe noch immer keine gute Wahl für Hochtemperatur-Flachkollektoren. Entweder halten sie hohen Temperaturen nicht stand, weil sie aus Kunststoff (meist Waben- und Kapillarmaterialien) bestehen, sie sind hygroskopisch und können der Feuchtigkeit im Inneren des Kollektors nicht standhalten (Aerogele usw.) oder sie sind sehr teuer (Glaskapillaren).

Seit der Arbeit von Eaton und Blum [9] ist bekannt, dass die Verwendung eines moderaten Vakuums in Flachkollektoren die oberen Wärmeverluste reduziert. Das Konzept eines evakuierten Flachkollektors wurde kommerziell umgesetzt und ist auf dem Markt verfügbar. Neben der höheren Wärmeleistung haben diese Kollektoren im Vergleich zu nichtvakuumierten Kollektoren den Vorteil einer längeren Lebensdauer, da innerhalb des Gehäuses keine Feuchtigkeits- und Kondensationsprobleme auftreten. Typische Innendrücke, die wirtschaftlich eingehalten werden können, liegen zwischen 1 und 10 kPa. Dies bedeutet, dass Konvektionsverluste zwar unterdrückt werden, die Wärmeleitung des Gases jedoch voll entwickelt bleibt.

Darüber hinaus konstruierten Benz und Beikircher [10] einen Prototypenkollektor auf Basis des kommerziell erhältlichen Flachkollektors. Um einen hohen thermischen Wirkungsgrad im mittleren Temperaturbereich zu erreichen, wurden die Wärmeverluste des Absorbers mithilfe eines selektiven Absorbers mit geringer Emission, einer Niederdruck-Kryptonfüllung (5 kPa) im Kollektorgehäuse, reduziert. Der Prototyp-Kollektor wurde dynamisch getestet und zeigte sehr hohe Wirkungsgrade von über 60 % bei 100 °C. Später stellte Benvenuti [11] einen FPC vor, der 300°C erreichen kann. Möglich wurde dies durch ein Ultrahochvakuum (1,33 x 10⁻⁷Pa), das von einer von der Sonne angetriebenen Getterpumpe aufrechterhalten wird. In Bezug auf die neuesten Studien weisen Moss und Shire [12] auf eine Verbesserung von 25 % bei einem herkömmlichen FPC auf 60–65 % bei einem Vakuum-FPC bei Betrieb bei 140 °C über Umgebungstemperatur hin. In jüngerer Zeit haben Shire et al. [13] heben hervor, dass ein Vakuum-FPC-Kollektor Wärme bis zu 200 °C mit einem Wirkungsgrad von mehr als 50 % liefern könnte.

In diesem Beitrag wird die Idee vorgestellt, die in den meisten Flachkollektoren verwendeten Einzelverglasungen durch flache Vakuumverglasungen zu ersetzen, die einerseits geringe Wärmeverluste aufweisen (Low-Emission-Beschichtung, Hochvakuum). ) und weist andererseits eine hohe Durchlässigkeit für Solarenergie auf. Flachkollektoren mit geringem Wärmeverlust (auf dem Niveau von Vakuumröhrenkollektoren) und einem ausreichend hohen optischen Wirkungsgrad könnten effektiv für die Integration in Gebäudehüllen (Wohngebäude, Industrie) eingesetzt werden, die weithin verfügbar sind.

Vakuumverglasungen bestehen aus zwei Glasscheiben, die umlaufend miteinander verbunden sind. Glasscheiben werden von einer Säulenanordnung getragen, die in einem regelmäßigen quadratischen Gittermuster angeordnet ist, und der Raum zwischen den Scheiben wird auf einen Druck von weniger als 0,1 Pa evakuiert, wodurch sowohl die Gasleitung als auch die Konvektion effektiv eliminiert werden. Den Druck über eine voraussichtliche Lebensdauer von 30 Jahren unter 0,1 Pa zu halten, stellt eine erhebliche technische Herausforderung dar. Fang et al. [14] führten extreme Temperaturwechseltests durch.

Es wurde festgestellt, dass die Wärmeleitfähigkeit im Mittelbereich um 10 % zugenommen hatte, woraus sich ableiten ließ, dass der Vakuumdruck im evakuierten Raum von einem vernachlässigbaren Wert von weniger als 0,1 Pa auf 0,16 Pa angestiegen war. Später stellten Koebel et al. [15] untersuchten die möglichen Ursachen für den Druckanstieg und kamen zu dem Schluss, dass es unter Berücksichtigung idealer Prozessbedingungen möglich sein sollte, den Gesamtdruck nach 30 Jahren unter 0,1 Pa zu halten. Es ist wichtig, jegliche Art von Undichtigkeiten oder Mikrorissen zu vermeiden, da die Qualität des Vakuums direkt mit der Wärmedämmleistung zusammenhängt.

Drei verschiedene Wärmeübertragungsmechanismen tragen zum gesamten Wärmeübertragungskoeffizienten hg₁-g₂ der Verglasung bei: Wärmeleitung durch ein Restgas, Wärmeleitung durch Abstandshalter und Strahlungswärmeübertragung zwischen den beiden Scheiben bei Vakuumverglasungen. Der gesamte Wärmeübergangskoeffizient hg₁-g₂ zwischen den Glasscheiben einer Vakuumverglasung kann durch einfache Addition einzelner Wärmeübergangskoeffizienten angenähert werden als [16, 17]

Dabei ist P der Innendruck, σ die Stefan-Boltzmann-Konstante (5,67 x 10⁻⁸W/m² x K⁴), Tmean der Durchschnitt der Temperaturen T₁ und T₂ der Glasscheiben, λ die Wärmeleitfähigkeit der Glassäulen, r die Der Radius der Glassäulen, d ist der Abstand zwischen den Säulen, und die effektive Emission, εeff, wird herkömmlicherweise wie folgt geschrieben:

Gleichung (1) gilt für den Raum mit einem Druck von weniger als 0,1 Pa, also Hochvakuum.

Vakuumverglasungen finden sich bereits im Portfolio der Fensterlieferanten für den Einsatz in Gebäuden (siehe Abbildung 1). Handelsübliche Vakuumverglasungen mit der Konfiguration 3-0,2-3 mm haben einen Transmissionsgrad der Sonnenstrahlung von τ=62 % und einen Transmissionsgrad U in der Mitte der Verglasung von 1,1 W/m² x K. Das Vakuum sorgt für eine hohe Wärmedämmung wodurch der Wärmeverlust durch Leitung und Konvektion reduziert wird. Dennoch kann es durch Strahlung zu Wärmeverlusten kommen. Durch die Verwendung einer Low-E-Beschichtung auf der Außenfläche der inneren Glasscheibe werden Strahlungswärmeverluste minimiert.

Hochmoderne Low-E-Beschichtungen wurden fast ausschließlich für die Architektur entwickelt. Zur Wahrung des thermischen und visuellen Komforts in Gebäuden werden vor allem Beschichtungssysteme auf Silberbasis eingesetzt, die einen extrem niedrigen Emissionsgrad (unter 0,03) und einen hohen sichtbaren Transmissionsgrad (bis zu 0,90) ermöglichen. Die Sonnendurchlässigkeit (im gesamten Sonnenspektrumbereich) liegt jedoch selten über 0,60. Eine geringe Durchlässigkeit für Sonnenenergie, die durch das Reflexionsvermögen einer Beschichtung mit niedrigem Emissionsgrad für die Nahinfrarotstrahlung (NIR) im Sonnenspektrum verursacht wird, ist für den Einsatz in Solarkollektoren ungeeignet. Durch den Einsatz sehr dünner Silberschichten, die in den letzten Jahren für Dreifachverglasungen entwickelt wurden, oder mit Metalloxiden können jedoch Werte bis zu 0,80 und der entsprechend höhere Emissionsgrad (zwischen 0,15 und 0,20) erreicht werden (Abbildung 2) [18] . Es besteht auch die Möglichkeit, die außenliegenden Glas-Antireflexbeschichtungen auf beiden Oberflächen zu verwenden und so die Reflexion an den beiden Luft-Glas-Grenzflächen zu reduzieren.

Um das Potenzial der Vakuumverglasung im solarthermischen Kollektordesign zu bewerten, wurden detaillierte Simulationen für drei verschiedene Varianten der Kollektorabdeckungsverglasung durchgeführt. Die Referenzvariante (REF) ist ein einfaches Solarglas mit niedrigem Eisengehalt. Die zweite Variante (VG1) verfügt über eine Vakuumverglasung auf Basis von zwei eisenarmen Gläsern ohne jegliche Beschichtung. Die letzte Variante (VG2) ist eine fortschrittliche Vakuumverglasung mit einer Beschichtung mit niedrigem Emissionsgrad auf der Außenfläche des Innenglases (Position 3). Die optischen Eigenschaften der Beschichtung sind ein IR-Emissionsgrad von 0,2 und ein Solartransmissionsgrad von 0,85. Konfigurationen der betrachteten Kollektorverglasungen sind in Abbildung 3 grafisch dargestellt. Die Parameter der für die Vergleichsstudie verwendeten Deckverglasungen sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1 Vergleich der physikalischen Eigenschaften der Deckverglasung.

3.1. Beschreibung des Modells

Um die thermische Leistung von FPC mit berücksichtigten Varianten der transparenten Abdeckung zu analysieren, wurde ein detailliertes theoretisches Modell des Flachkollektors verwendet. Das detaillierte Modell stammt aus dem Designtool KOLEKTOR 2.0 [19], das ursprünglich als Visual Basic-Programm entwickelt wurde.

Um die Leistung bestimmter Verglasungen zu vergleichen, wurde davon ausgegangen, dass der Flachkollektor aus einem Absorber besteht, der in einem isolierten Kasten untergebracht ist, der mit einer bestimmten transparenten Abdeckung abgedeckt ist. Zwischen dem Absorber und der Abdeckung sowie zwischen dem Absorber und seiner Rückisolierung besteht ein Luftspalt, der jeweils durch Dicke und Neigung definiert ist. Der Absorber ist als Harfe mit Verteiler- und Steigrohren (definiert durch Länge, Abstand und Durchmesser) konzipiert. Die transparente Abdeckung wird entsprechend der Gleichung mit temperaturabhängigem Wärmeleitwert berücksichtigt

Dabei sind hg₀, hg₁ und hg₂ Koeffizienten für bestimmte Abdeckungsstrukturen und Tg₁-g₂ (°C) die mittlere Verglasungstemperatur. Wärmedämmschichten werden in ähnlicher Weise als temperaturabhängig betrachtet.

Das detaillierte Modell eines Flachkollektors ermöglicht eine detaillierte Berechnung der Wärmeübertragung im Solarkollektor. In den Iterationsschleifen werden der Energiefluss von der Absorberoberfläche zur Umgebung und von der Absorberoberfläche zu einer Wärmeträgerflüssigkeit sowie eine Temperaturverteilung im Kollektor berechnet. Ein Solarkollektor kann durch eine Reihe detaillierter Parameter, optischer Eigenschaften von Verglasung und Absorber sowie thermophysikalischer Eigenschaften der Hauptkomponenten eines Solarkollektors (Rahmen, Absorber und transparente Abdeckung) im Modell spezifiziert werden.

3.2. Grundgleichungen

Das mathematische Modell für Solar-Flachplatten-Flüssigkeitskollektoren löst eindimensionale Wärmeübertragungsbilanzen. Hottel und Woertz [20], Hottel und Whillier [21] und Bliss [22] entwickelten die einfachsten Annahmen: Wärmekapazitäten werden vernachlässigt und ein einzelner Wert des Gesamtwärmeverlustkoeffizienten des Kollektors wird berücksichtigt. Basierend auf diesen Annahmen und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Wärmeübertragung hauptsächlich eindimensional ist und in der Richtung normal zum Absorber vorherrscht, entwickelten Duffie und Beckman [23] ein vereinfachtes Modell (mit der elektrischen Analogie), um den Solarkollektor im stationären Zustand zu charakterisieren Bedingungen. Das Modell löst die Energiebilanz des Solarkollektors unter stationären Bedingungen nach dem Prinzip der Hottel-Whillier-Gleichung für die nutzbare Wärmeleistung:

In dieser Gleichung ist Aabs die Absorberfläche, FR der Wärmeabfuhrfaktor des Kollektors, τ der Solartransmissionsgrad der Kollektorabdeckung, α der Solarabsorptionsgrad des Absorbers, Gt die gesamte Sonneneinstrahlung und U der Gesamtwärmeverlust Kollektorkoeffizient, Tin ist die Einlassflüssigkeitstemperatur und Tamb ist die Umgebungstemperatur.

Die Hauptebenen des Kollektors sind die Außenfläche der Abdeckung (f₂), die Innenfläche der Abdeckung (f₁), der Absorber (abs), die Innenfläche der Rückisolierung (b₁), die Außenfläche des Rückrahmens (b₂), die Innenfläche der Randisolierung (e₁). und Außenfläche des Randrahmens (e₂). Im Rahmen des Berechnungsverfahrens wird für jede Kollektorebene eine Oberflächentemperatur ermittelt. Die Hauptkollektorebenen sind in Abbildung 4 schematisch dargestellt.

Das mathematische Modell besteht im Allgemeinen aus zwei Teilen: der externen Energiebilanz des Absorbers (Wärmeübertragung von der Absorberoberfläche zur Umgebung) und der inneren Energiebilanz des Absorbers (Wärmeübertragung von der Absorberoberfläche in die Wärmeübertragungsflüssigkeit). Sowohl äußere als auch innere Energiebilanzen bedingen einander. Der Gesamtkollektor-Wärmeverlustkoeffizient U als Hauptleistung des externen Gleichgewichts ist einer der Inputs für das interne Gleichgewicht. Auf der anderen Seite wird die mittlere Absorbertemperatur Tabs als eine der Ausgaben des internen Gleichgewichts als notwendige Eingabe für das externe Gleichgewicht verwendet. Es wurde eine Iterationsschleife eingeführt, um die Ergebnisse vom externen Gleichgewicht zum anfänglichen internen Gleichgewicht zu übertragen und die Ergebnisse vom internen Gleichgewicht zum externen Gleichgewicht zu übertragen. Die Schleife iteriert, solange die Differenz zwischen den in zwei benachbarten Iterationsschritten berechneten Absorbertemperaturen höher als das erforderliche Minimum ist (siehe Abbildung 5).

3.3. Experimentelle Validierung

Das Modell wurde im Rahmen der Prüfung von Solarkollektoren gemäß der europäischen Norm EN ISO 9806 im akkreditierten Solarlabor des Universitätszentrums für energieeffiziente Gebäude der Tschechischen Technischen Universität in Prag experimentell validiert. Solarthermische Kollektoren wurden getestet, um bei konstanten Betriebsbedingungen der Einlasstemperatur (±0,05 K) und dem Massendurchsatz (±0,002 %) der in den Kollektor eintretenden Wärmeübertragungsflüssigkeit (Wasser) und bei konstanten Solarklimabedingungen eine stationäre Wärmeleistung zu erzielen Einstrahlung (±1,4 %) und Umgebungstemperatur (±0,05 K).

Der momentane Wirkungsgrad wurde aus der Wärmeleistung des Kollektors im Verhältnis zur gesamten Sonneneinstrahlung berechnet (Einfall auf die Kollektor-Referenzfläche: Bruttofläche). Experimentelle Datenpunkte der Solarkollektoreffizienz sind in den Diagrammen mit einheitlichen Unsicherheitsbalken gekoppelt. Die erweiterte Effizienzunsicherheit und die verringerte Temperaturdifferenz wurden für experimentelle Daten sowohl für Unsicherheiten vom Typ A (statistisch) als auch für Unsicherheiten vom Typ B (instrumentell) unter Berücksichtigung des Abdeckungsfaktors k = 2 mit einem Konfidenzniveau von 95 % (Normalverteilung) bewertet.

Die theoretische Berechnung der Effizienzcharakteristik durch das Modell unterliegt der Unsicherheit realer Kollektorparameter, die als Eingaben für das Modell verwendet werden. Während geometrische Parameter mit hoher Zuverlässigkeit leicht verfügbar sind, ist die Anzahl der Parameter, die die Eigenschaften von Kollektorteilen definieren, innerhalb eines engen Bereichs (z. B. optische Absorber- und Verglasungsparameter, meist ±2 %) und mittleren Bereich (z. B. Leitfähigkeit von) unsicher Isolationsschicht abhängig von ihrer Temperatur und Dichte, ±10 % und recht großer Bereich (z. B. Emittanz der Absorberrückseite und Emittanz der Isolationsschicht oder des Kollektorrahmens, >10 %). Daher könnten die Ergebnisse der theoretischen Berechnung als zwei Grenzkurven dargestellt werden, in denen die Kollektoreffizienzwerte in der Realität zu finden sind.

Das mathematische Modell wurde im Bereich der atmosphärischen Solar-Flachkollektoren (hochwertige Solarkollektoren mit hochmodernem lasergeschweißtem Kupferabsorber, beschichtet mit einer leistungsstarken selektiven Beschichtung und Solarverglasung als transparente Abdeckung) validiert. Zur detaillierten Modellvalidierung wurden vier verschiedene Solarkollektoren verwendet. Die meisten Parameter von Solarthermiekollektoren (z. B. Wärmeleitfähigkeit der Isolierung, Sonnendurchlässigkeit der Verglasung und Emissionsgrad des Absorbers) wurden experimentell gemessen, um den Unsicherheitsbereich zu verringern. Das Modell wurde auch bei verschiedenen Werten von Neigung, Massenstrom, Windgeschwindigkeit und einfallender Strahlung getestet. Weitere Informationen zur Modellvalidierung finden Sie bei Shemelin und Matuska [24]. Abbildung 6 zeigt experimentell gemessene Effizienzpunkte und theoretisch modellierte Effizienzkennlinien. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass die simulierten Effizienzmerkmale relativ gut zu den Messungen passen, was Vertrauen in das entwickelte Modell gibt.

Es wurden vier FPC-Konfigurationen mit Abmessungen von 1 × 2 m modelliert. Alle Varianten verfügen über einen hochmodernen lasergeschweißten Kupferabsorber mit einer leistungsstarken selektiven Beschichtung mit einem Absorptionsgrad von 0,95 und einem Emissionsgrad von 0,05. Die Dicke des Absorbers beträgt 0,2 mm und der Abstand zwischen den Rohren beträgt 100 mm. Die rückseitige Wärmedämmung und die Randwärmedämmung mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,04 W/m·K haben eine Dicke von 50 bzw. 20 mm. Die Dicke des Luftspalts zwischen Absorber und Verglasung beträgt 30 mm (außer Variante VC4, unten erläutert). Der Unterschied zwischen den betrachteten Varianten besteht lediglich in der Deckverglasung.

Die erste Konfiguration von FPC (RC) verfügt über eine Referenzverglasung (REF) als transparente Abdeckung mit den in Tabelle 1 gezeigten Parametern. Die zweite Konfiguration VC1 verfügt über eine Vakuumverglasung VG1 anstelle der Referenzverglasung. Die dritte Konfiguration VC2 berücksichtigt die Variante VG2 als Deckverglasung. Die letzte Konfiguration VC3 hat eine grundsätzlich andere Konfiguration. Bei dieser Variante gibt es keinen Spalt zwischen Absorber und Abdeckung. Dabei wird der Absorber durch ein dauerflexibles, hochtransparentes Silikongel mit dem VG2 verbunden, um die Dicke des Kollektors zu reduzieren („schlanke“, für die Gebäudehüllenintegration geeignete Kollektoralternative). Berücksichtigte Konfigurationen der FPC-Kollektoren RC, VC1, VC2 und VC3 sind in Abbildung 7 dargestellt.

Die Grafik in Abbildung 8 zeigt die Effizienzkurven der betrachteten Solarkollektorvarianten. In Bezug auf die EN ISO 9806 basiert der Kollektorwirkungsgrad η auf der Kollektorbruttofläche AG. Die Berechnungen wurden unter Verwendung des zuvor beschriebenen theoretischen detaillierten FPC-Modells durchgeführt. Die Grafik zeigt den Unterschied in der Energiequalität der verglichenen FPC-Varianten. Die geringe Steigung der Effizienzkurve des VC2 ist darauf zurückzuführen, dass der Kollektor VC2 über zwei Low-E-Beschichtungen verfügt – die erste innerhalb der Vakuumverglasung und die zweite auf der Absorberoberfläche. Andere Varianten RC, VC1 und VC3 verfügen nur über eine Low-E-Beschichtung. Die Solarkollektoralternative VC3 hat einen geringeren thermischen Wirkungsgrad als die Referenzalternative REF. Trotz der Vakuumschicht bringt die höhere Emission der Glas-Low-E-Beschichtung (0,2) in der VC3-Variante anstelle der Absorberbeschichtung mit einer Emission von 0,05 in der REF-Variante den gesamten oberen Wärmeverlust auf ähnliche Werte, aber optische Parameter der VC3-Konfiguration sind niedriger (geringerer Nullverlustwirkungsgrad η₀). Die resultierenden Wirkungsgradkennzahlen η₀, a₁ und a₂ sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2 Zusammenfassung der Ergebnisse der Kollektorsimulation.

Andererseits hat die Solarkollektorvariante VC3 die geringste Dicke unter den Vergleichsvarianten – nur 60 mm. Eine solche Dicke bietet aufgrund des schlanken und kompakten Designs mehr Möglichkeiten für die Integration von FPC in die Gebäudehülle. Andere Varianten RC, VC1 und VC2 haben Dicken von 87, 91 bzw. 91 mm.

Abbildung 9 zeigt den Vergleich der Effizienzkennlinien der Flachkollektorvariante VC2 und Vakuumröhrenkollektoren (mit/ohne Reflektor, zylindrischer/flacher Absorber) bezogen auf die Bruttokollektorfläche. Die thermische Leistung des Solar-Flachkollektors der Variante VC2 ist vergleichbar mit der von Vakuumröhrenkollektoren. Darüber hinaus weist die Solarkollektorvariante VC2 einen deutlich höheren Wirkungsgrad auf als die meisten Vakuumröhrenkollektoren (VT).

Um ein Gesamtbild zu erhalten, wurde die jährliche Leistung der Kollektoren VC2 und VT mit der Software ScenoCalc [25] für konstante Betriebstemperaturen von 25, 50, 75 und 100 °C und die Klimabedingungen von Würzburg modelliert. Als Eingangsdaten dienten die Leistung und die optischen Eigenschaften der verglichenen Kollektoren. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt. Die Ergebnisse der Modellierung bestätigten, dass die Flachkollektorvariante VC2 bis zu einer Betriebstemperatur von 100 °C höhere Solarenergiegewinne aufweist als die meisten Vakuumröhrenkollektoren.

Tabelle 3 Berechneter jährlicher Solarkollektorgewinn bezogen auf die Bruttokollektorfläche.

Verschiedene Designs von Flachkollektoren auf Basis einer flachen Vakuumverglasung wurden mithilfe eines detaillierten mathematischen Modells theoretisch untersucht, um das Potenzial der Anwendung von Vakuumverglasungen in Solarflachkollektoren aufzuzeigen. Die ausgewählte Variante VC2 wurde durch jährliche Simulation der Kollektorwärmeleistung in ScenoCalc mit modernen Vakuumröhrenkollektoren verglichen. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass durch den Einsatz von Hochleistungs-Vakuumverglasungen als transparente Abdeckung ein erhebliches Potenzial zur Effizienzsteigerung von Solarflachkollektoren besteht. Die Kollektorvariante VC2 zeigt bis zu einer Betriebstemperatur von 100 °C eine höhere Leistung als die meisten Vakuumröhrenkollektoren.

Die Autoren erklären, dass hinsichtlich der Veröffentlichung dieser Arbeit kein Interessenkonflikt besteht.

Diese Arbeit wurde vom Ministerium für Bildung, Jugend und Sport im Rahmen des Nationalen Nachhaltigkeitsprogramms I (NPU I), Projekt-Nr. LO1605, vom University Center for Energy Efficient Buildings – Sustainability Phase und vom Projekt SGS16/212/OHK2/3T/12 – Modellierung, Steuerung und Design umwelttechnischer Anlagen.