Ganzheitliche Bewertung von Sonnenkollektoren unter besonderer Berücksichtigung des Alterungsverhaltens

Der Einsatz von Solartechnik ist mittlerweile weit verbreitet und thermische Sonnenkollektoren werden auf der ganzen Welt mit unterschiedlichstem Qualitätsniveau hergestellt. Die prognostizierte Lebensdauer von thermischen Solaranlagen beträgt in gemäßigtem mitteleuropäischen Klima zwischen 25 und 30 Jahren. Dabei wird aber keine Aussage getroffen, wie die thermische Leistung über den Betriebszeitraum aufgrund von Alterungsvorgängen abnimmt. Zur Sicherung eines allgemeinen Qualitätsstandards ist es nötig, neben den bereits in der europäischen Normung etablierten Prüfverfahren zur Bestimmung der Zuverlässigkeit und der thermischen Leistung im Neuzustand, auch ganzheitliche Bewertungen durchzuführen, die die Leistungsabnahme im Laufe der Betriebsdauer berücksichtigen.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, Alterungsvorgänge an Sonnenkollektoren und deren Auswirkungen auf die thermische Leistungsdegradation zu quantifizieren sowie deren Folge auf die ganzheitliche Bewertung von Sonnenkollektoren zu untersuchen. Die Untersuchungen sollen als Basis zur Entwicklung eines beschleunigten Alterungsprüfverfahrens für Sonnenkollektoren dienen.

Im ersten Teil der Arbeit erfolgt zunächst eine Quantifizierung des Alterungsverhaltens. Dazu werden beschleunigte Alterungsprüfungen an Sonnenkollektoren durchgeführt und die Auswirkungen einer erhöhten Temperaturbelastung sowie einer Belastung in salzhaltiger Atmosphäre mit und ohne Kombination von Kondenswasser untersucht. Zusätzlich wird die Alterung infolge von UV-Strahlung näher betrachtet. Die beschleunigten Prüfungen infolge erhöhter Temperaturbelastung werden sowohl durch Exposition im Freien als auch mit Laborprüfungen durchgeführt. Weiterhin erfolgen Untersuchungen des Alterungsverhaltens aufgrund korrosiver salzhaltiger Atmosphäre anhand unterschiedlicher Prüfsequenzen in einer Klimakammer. Aus den gewonnenen Erkenntnissen wird eine Methodik für die Salzsprühnebelprüfung für Sonnenkollektoren vorgeschlagen. Für die Untersuchung der UV-strahlungsinduzierten Alterung wird ein Prüfstand konzipiert und die Wirkung der Alterungsvorgänge auf einen Flachkollektor mit Kunststofffolienabdeckung analysiert.

Die Quantifizierung des Alterungsverhaltens erfolgt durch Bestimmung der Änderung der charakteristischen Kollektorkennwerte, die mit thermischen Leistungsprüfungen vor und nach den einzelnen Sequenzen der beschleunigten Prüfungen ermittelt werden. Mit anschließenden Simulationsrechnungen wird die Auswirkung der Alterung auf die anteilige Energieeinsparung von thermischen Solaranlagen ermittelt.

Eine Problematik von beschleunigten Alterungsuntersuchungen stellt die Korrelation der Prüfergebnisse zum realen Betrieb dar, da bei Laborprüfungen meistens nur ausgewählte Einflüsse und nicht alle Umgebungsparameter gleichzeitig simuliert werden können. In der Arbeit werden unterschiedliche Korrelationsmöglichkeiten auf experimenteller (Standardproben) und theoretischer Basis (time transformation functions) diskutiert. Die Korrelation infolge einer be-schleunigten Prüfung mit erhöhter Temperaturbelastung wird mit Hilfe der Arrhenius-Beziehung in ein Kollektormodell implementiert, das es nun ermöglicht, mit den Ergebnissen aus beschleunigten Alterungsuntersuchungen die Leistungsabnahme über einen beliebigen Zeitraum vorherzusagen.

Im zweiten Teil der Arbeit werden verschiedene ökologische Bewertungsmethoden für thermische Solaranlagen vorgestellt. Anschließend erfolgt eine ganzheitliche Bewertung von solaren Kombianlagen, bei der sowohl energetische Betrachtungen durch Ermittlung der energetischen Amortisationszeit und der Energieeinsparung über die Lebensdauer als auch Emissionsbetrachtungen durchgeführt werden. Abschließend wird eine Kennzahl für die ökologische Bewertung von Sonnenkollektoren eingeführt und der Einfluss der alterungsbedingten Leistungsdegradation auf die ökologische Bewertung erläutert.