Photovoltaik-Thermofenster erreicht 3,6 % elektrischen Wirkungsgrad und liefert 50 °C heißes Wasser

Ein Team deutscher und britischer Forscher hat ein neues gebäudeintegriertes hybrides PV-Thermofenster (PVTW), das sowohl Strom als auch Warmwasser erzeugt.

„Die Installation herkömmlicher Solarmodule und -kollektoren in Gebäuden erfordert die Nutzung erheblicher Dachflächen, die jedoch begrenzt sind. Dies hat die Entwicklung effizienter, gebäudeintegrierter Technologien inspiriert, die die Raumnutzung und Energieversorgung maximieren können.“ „Im Rahmen dieser Arbeit haben wir eine gebäudeintegrierte hybride PVTW hergestellt und getestet, die aus einer lichtdurchlässigen PV-Schicht und einem selektiv absorbierenden, flüssigkeitsbasierten Wärmeabsorber besteht.“

Die Hauptkomponente des PVTW ist eine Glasschicht mit einer Reihe von amorphen Silizium-Mikrostreifen (a-Si). Nur ein Teil des Sonnenlichts wird von der PV-Schicht zur Stromerzeugung absorbiert, während der Rest an eine darunter liegende 4 mm dicke Wasserschicht weitergeleitet wird. Zwei Messingrohre dienen als Wassereinlass und -auslass, und zwei Polycarbonatrahmen dienen als Zwischenlage für eine Standard-Glasschicht mit niedrigem Eisengehalt.

Die Tests wurden vom 16. bis 23. Juli 2021 auf einem Dach in London durchgeführt, als die maximal gemessene Umgebungstemperatur 34 Grad Celsius betrug und die Sonneneinstrahlung am Mittag etwa 1100 W m - 2 betrug. Das Gerät wurde bei Neigungen von 30°, 60° und 90° getestet und seine Leistung mit der eines Referenzmoduls für eine Solarthermisches Fenster (STW) ohne PV-Komponente. Letzteres ist identisch mit dem PVTW, außer dass die PV-Schicht durch eine Glasschicht ersetzt wird, sodass zwei Schichten entstehen.

Die Testergebnisse zeigen, dass das PVTW-System einen elektrischen Wirkungsgrad von 3,6 % und einen thermischen Wirkungsgrad von 17,6 % aufweist.

„Bei einem Neigungswinkel von 30° hat der PVTW einen elektrischen Wirkungsgrad von 3,6 % und einen thermischen Wirkungsgrad von 10,7 %. Die Fähigkeit, Warmwasser von etwa 50 °C zu erzeugen, macht ihn für den Hausgebrauch geeignet, während seine Stromerzeugung den Energiebedarf des Gebäudes deckt“, stellte das Team fest. „Bei einer Neigungsverstellung des PVTW von 30° auf 90° lassen sich Veränderungen der Ausgangstemperatur und des thermischen Wirkungsgrads beobachten, was die Bedeutung der Ausrichtung für die Systemleistung verdeutlicht.“

Sie fügten hinzu: „Bei einer Neigung von 90° hat das System einen elektrischen Wirkungsgrad von 3,3 % und einen thermischen Wirkungsgrad von 17,6 %, bei einer maximalen Abwassertemperatur von etwa 42 Grad Celsius. Das System liefert nicht nur heißes Wasser bei höheren Temperaturen als eine eigenständige Abwasseraufbereitungsanlage, sondern ist auch definitiv 10 % thermisch effizienter und erzeugt auch Strom.“

Die Wissenschaftler sagten: „Um die potenziellen Auswirkungen von PVTW bei der Deckung des Wärmeenergiebedarfs eines Gebäudes zu verstehen, können wir die PVTW-Oberfläche schätzen, die erforderlich ist, um den Warmwasserbedarf eines typischen Reihenhauses mit drei Schlafzimmern in London, Großbritannien, zu decken, das von zwei Erwachsenen und zwei Kindern bewohnt wird.“ „Unter Verwendung einer Energiebilanz wäre eine gesamte PVTW-Oberfläche von nicht mehr als 1,2 Quadratmetern bei einer Neigung von 30° erforderlich, um diesen Bedarf sofort zu decken. Unter der Annahme eines größeren Systems mit einem Warmwasserspeicher schätzen wir, dass bei derselben Neigung etwa 2,8 m2 PVTW-Oberfläche erforderlich wären, um den gesamten Tagesbedarf zu decken, ohne dass ein Reservekessel erforderlich wäre.“

Das System wurde in der Zeitschrift Advanced Science unter dem Titel „Gebäudeintegrierte hybride Photovoltaik-Thermofenster (PV-T) für synergistisches Lichtmanagement sowie Strom- und Wärmeerzeugung“ veröffentlicht. Die Studie wurde von Forschern des Imperial College London (Großbritannien) und des Karlsruher Instituts für Technologie (Deutschland) durchgeführt.