Auslegung

Bei der Dimensionierung der TABSOLAR^®-Elemente wurden verschiedene Aspekte berücksichtigt, deren Ziele sich teils widersprechen, so dass ein Kompromiss gefunden werden musste. Beispielsweise spricht die Handhabung auf der Baustelle für möglichst kleine, leichte Elemente, während im Hinblick auf die Randverluste und die Anzahl der benötigen Hydraulikverbinder große Elemente im Vorteil sind. Bezüglich der thermischen Effizienz muss bedacht werden, dass UHPC eine deutlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit als Metalle besitzt, jedoch mit einigen Millimetern deutlich dicker ist als übliche Absorberbleche. In den TABSOLAR^®-Elementen sind die Kanäle direkt integriert, und ihre Abstände sind geringer als bei üblichen Solarabsorbern, so dass trotz der geringen Wärmeleitfähigkeit eine hohe thermische Effizienz erreicht werden kann. Die Anzahl der Kanäle in der Mitte der Elemente ist aufgrund des bionischen FracTherm^®-Algorithmus mit binären Verzweigungen nicht beliebig, sondern 2ⁿ bei n Iterationen des Algorithmus. Bei einer Fläche von 1-2 m² sind daher aufgrund der Kanalabstände 16 oder 32 Kanäle sinnvoll. Des Weiteren musste bedacht werden, dass im Randbereich genügend Platz für Agraffen und Sammelkanäle vorhanden ist, und schließlich sollte auch ein geeignetes Seitenverhältnis gefunden werden. Darüber hinaus musste bei der Auslegung der FracTherm^®-Kanäle berücksichtigt werden, dass die Produktfamilie TABSOLAR^® Premium für Drain-Back-Solarsysteme geplant ist und daher eine restlose Entleerung der Kanäle gewährleistet sein muss. Dazu dürfen keine Kanäle negative Steigungen aufweisen, um Flüssigkeitssäcke zu vermeiden. Schließlich wurde eine Größe von 1683 mm x 1040 mm gewählt, was einer Fläche von 1,75 m² entspricht. Für Vorversuche wurden quadratische Kleinmuster der Größe 1040 mm x 1040 mm hergestellt.

Hydraulikanschlusskonzept

Um TABSOLAR^®-Elemente untereinander und mit einem Rohrsystem verbinden zu können, sind zylindrische Hydraulikbuchsen integriert, in die passende Nippel mit doppelter O-Ring-Dichtung eingebracht werden können. Zwischen zwei TABSOLAR^®-Elementen sind diese schwimmend gelagert, am den äußersten Elementen eines TABSOLAR^®-Feldes werden sie durch Bleche fixiert. Diese werden wiederum an Gewindestangen angeschraubt, die mittels „Siebdübeln“ im UHPC verankert sind. Für die flexible Verbindung zwischen den TABSOLAR^®-Elementen, z. B. auch mit dazwischen liegenden Fenstern, sind Wellrohre mit den passenden Nippeln vorgesehen.

Befestigungskonzept

Die Befestigungslösung von TABSOLAR^® basiert auf Agraffen-Klammern, die über rückseitige Hinterschnittanker mit den UHPC-Elementen verbunden sind. Das Agraffen System wird neben der sicheren und langlebigen Montage der Elemente den beiden wesentlichen Anforderungen gerecht: der möglichst universellen Kompatibilität mit baubranchenüblichen Systemen und Unterkonstruktionen, und der hohen Gestaltungsqualität, die durch die äußerlich nicht sichtbare Befestigung erzielt wird.

Oberflächenstrukturierung

Aufgrund der Verwendung von Ultrahochleistungsbeton (UHPC) sind auch sehr fein strukturierte Oberflächen möglich, wodurch sich zahlreiche Gestaltungsmöglichkeiten ergeben.

Spektralselektive Beschichtung

Spektralselektive Beschichtungen sind bei üblichen solarthermischen Absorbern in verglasten Kollektoren Stand der Technik. Sie weisen einen hohen Absorptionsgrad im Spektrum der Solarstrahlung auf, jedoch einen niedrigen Emissionsgrad im Infrarotspektrum. Somit soll erreicht werden, dass ein möglichst hoher Anteil der eingestrahlten Solarenergie in Wärme umgewandelt werden kann und wiederum möglichst wenig von dieser wieder durch Wärmestrahlung für die Nutzung verloren geht. Während diese Beschichtungen auf Metall marktverfügbar sind, ist es eine Herausforderung, sie in einem Vakuum-Beschichtungsprozess auf UHPC aufzubringen, da die Oberflächenrauhigkeit und Porosität im Vergleich zu den für PVD-Beschichtungen verwendeten Standardsubstraten wie Glas oder poliertem Aluminium oder Kupfer recht unterschiedlich sind. Außerdem muss die Wasserdampfdiffusion unterdrückt werden. Am Fraunhofer ISE wurde ein Beschichtungssystem, bestehend aus einem Basislack, einer gesputterten spektralselektiven Beschichtung und einem Decklack, entwickelt und hinsichtlich der Wasserdampfdurchlässigkeit (gravimetrisch) nach DIN 53122 bewertet. Der Test wurde bei einer Temperatur von 70 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 10 % durchgeführt. Das über der Wellenlänge aufgetragene Reflexionsspektrum zeigt den typischen Verlauf: einen niedrigen Reflexionsgrad (d. h. einen hohen Absorptionsgrad) für kurze Wellenlängen im Sonnenspektrum und einen hohen Reflexionsgrad (d. h. einen niedrigen Emissionsgrad) für lange Wellenlängen im Infrarotspektrum. Der Absorptionsgrad 𝛼_AM1.5 liegt im Bereich von 94 %, der Emissionsgrad 𝜀_{373 K} bei etwa 7 %, was den typischen Werten kommerzieller solarthermischer Absorberschichten auf Metallen (𝛼_AM1.5 ≈ 95 - 97 %, 𝜀_{373 K} ≈ 4 - 5 %) recht nahe kommt. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass sich das Reflexionsspektrum durch die beschleunigte Alterung kaum ändert, was auf eine hohe Beständigkeit des Beschichtungssystems hinweist. Inwiefern eine spektralselektive Beschichtung neben der Anwendung in den verglasten TABSOLAR^®-Premium-Elementen auch bei unabgedeckten TABSOLAR^®-Design-Elementen sinnvoll sind, hängt von der Anwendung und der Systemauslegung ab.

Leistung und Erträge

Die Effizienz bzw. Leistung von Solarkollektoren hängt von der Temperaturdifferenz zur Umgebung und von der Solareinstrahlung ab. Sie wird üblicherweise sowohl für verglaste als auch unverglaste Solarkollektoren durch Wirkungsgrad- bzw. Leistungskurven dargestellt, so auch für TABSOLAR^®-Elemente. Als Basis für Systemsimulationen wurden bisher Wirkungsgradkennlinien auf Basis physikalischer Modelle theoretisch ermittelt. Zukünftig sollen sie im TestLab Solar Thermal Systems des Fraunhofer ISE durch Messungen ermittelt werden.