Ziele und Idee

  • Untersuchung solarthermischer Energiesysteme
  • Anwendungen der Photovoltaik-Anlage
  • Nutzung thermischer Solarenergie zur sorptionsgestützten Klimatisierung
  • Konzeptionelle und konstruktive Optimierung von Solarkollektoren
  • Entwicklung neuer Werkstoffe und Fertigungsverfahren der Solarkollektoren
  • Normmessungen für Solarkollektoren

Labor G313

Laborausstattung und Aktivitäten

Der Sonnensimulator dient primär zur Leistungsmessung und Gebrauchstauglichkeit von thermischen Solarkollektoren nach DIN EN 12975-2. Mit dem Sonnensimulator können die Auswirkungen der Sonneneinstrahlung auf die Leistungsfähigkeit von Solarkollektoren unter kontinuierlichen, tages- und jahreszeitlich unabhängigen Laborbedingungen untersucht und die Ergebnisse reproduziert werden.Im Bereich der Lehre wird anhand der Indoor-Vermessung analog Norm den Studenten praktisch vermittelt, wie z.B. verschiedene Temperatur-Messtechnik bei einer Kollektorprüfung eingesetzt werden kann. Aufgrund der stabilen und reproduzierbaren Einstrahlungsbedingungen, können auch im Rahmen von Forschungsprojekten, Solarkollektoren vor ihrer notwendigen Zertifizierung auf ihre Leistungsfähigkeit überprüft werden. 

Simulationsprogramm T*Sol
Das Simulationspragramm T*Sol von Valentin software dient zur dynamischen, zeitschrittbasierten Berechnung solarthermischer Anlagen. Diese bietet eine Auswahl grundlegender Anlagenkonfigurationen von kleinen Solaranlagen in Einfamilienhäusern bis zu komplexeren Systemen für Mehrfamilienhäusern, Wärmenetze und Prozesswärmeanlagen. Die vorkonfigurierten Systeme können durch Änderung der Parameter (z.B. Kollektortyp, Kollektorfläche, Speichervolumen, Regelreinstellungen) an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst und optimiert werden. Als Ergebnis stehen Berichte und Graphen zur Verfügung, die eine Auswertung der Energieflüsse und Temperaturen im System sowie der Wirtschaftlichkeit ermöglichen. Anhand eines realen Beispiels führen die Studierenden im Praktikum eine umfassende Bewertung eines solarthermischen Systems durch und vergleichen die Ergebnisse mit Messwerten der echten Anlage.

Mit diesem Prüfstandsaufbau für den Einsatz im Praktikum Solarenergietechnik, soll in der Lehre in kompakter Bauweise den Studenten die Funktionsweise einer solarthermischen Anlage zur Brauchwassererwärmung demonstriert werden. Der Prüfstand enthält alle wesentlichen Komponenten: die Sonneneinstrahlung fällt auf den Solarkollektor (Absorber) und erwärmt die darin fließende Solarflüssigkeit. Diese wird über Rohrleitungen durch den Warmwasserspeicher geführt und gibt über die Rohrwendel ihre Wärme an das Brauchwasser im Speicher ab. Nach Wärmeabgabe wird die abgekühlte Solarflüssigkeit wieder zurück zum Kollektor gepumpt und der Beladevorgang beginnt von neuem.  Die Komponenten im Beladekreislauf werden durch die notwendige Messtechnik (Temperatur, Durchfluss, Volumenstrom) zur Regelung des Vorgangs und Sicherheitseinrichtungen (Sicherheitsventil, Membranausdehnnungsgefäss) ergänzt.

Als Thermosiphon-Anlage bezeichnet man Anlagen zur Wärmegewinnung aus Sonnenenergie, die nach dem Prinzip des „Thermosiphons“ arbeiten. Das Thermosiphon ist eine passive Konstruktion, die einen Wärmeaustausch durch Nutzung der natürlichen Konvektion in einem geschlossenen Fluidkreislauf ermöglicht. Die Anlage wird durch die unterschiedliche spezifische Dichte des Wassers bei unterschiedlichen Temperaturen genutzt, um den Fluidkreislauf anzutreiben. Das im Kollektor erhitzte Wasser steigt aufgrund seines geringen spezifischen Gewichts zum Sammelbehälter auf, während gleichzeitig kälteres Wasser in einer anderen Leitung abwärts zum Erhitzer sinkt. Dieses Prinzip wird insbesondere in wärmeren Ländern zur Warmwasserbereitung benutzt (Frostfreiheit in den Wintermonaten). Die Anlagen sind kostengünstig und aufgrund fehlender beweglicher Teile zuverlässig und wartungsarm.
Anhand der auf der Dachfläche installierten Thermosiphonanlage, soll den Studenten im Praktikumsbetrieb die Funktionsweise sowie die Unterschiede der Brauchwassererwärmung im Vergleich zur „klassischen“ Solarthermie vermittelt werden (eingesetzte Medien, Standort-Bedingungen, Temperaturniveaus).

Durch die Nutzung der Erneuerbaren Energien rücken hochwertige Strahlungsmessungen immer mehr in den Fokus der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten und bilden zudem die notwendige Grundlage zum Verständnis der technischen Nutzbarkeit der lokal verfügbaren Solarstrahlung. Umsetzungsnahe Beispiele hierfür sind thermische Solarkollektoren, Photovoltaik-Anwendungen, solarthermische Kraftwerke sowie die passive Sonnenlichtnutzung in Wohn- und Bürogebäuden. Das auf der Dachfläche des Labors installierte Messsystem besteht aus zwei Pyranometern zur Erfassung der diffusen ungerichteten und der globalen, gesamt vorhandenen Solarstrahlung sowie einem Pyrheliometer, welches aufgrund seines geringen Öffnungswinkels von 5° nur die direkte, von der Sonne ausgesandte Strahlung erfasst. Aufgrund der Montage auf einem präzisen GPS positionierten Tracker werden die Messeinrichtungen immer exakt der Sonne nachgeführt.

Inselanlagen, auch als netzunabhängige, autarke Inselsysteme oder Off-grid-Systeme bekannt, sind festinstallierte oder mobile Anlagen, Geräte zur Stromversorgung, die ohne Anschluss an ein öffentliches Stromnetz realisiert werden. Sie werden dort eingesetzt, wo der Anschluss an das Stromnetz nicht möglich oder nicht wirtschaftlich ist. Um hier kontinuierlich Energie zur Verfügung zu stellen, muss die Energie gespeichert werden. Diese ist durch den Einsatz von Akkumulatoren wieder abrufbar. Steigende Kosten für den Brennstoff (inklusive Transport, etwa zur Berghütte, zu Seezeichen oder in die Antarktis) und fallende Anlagenpreise lassen regenerative Energiequellen wirtschaftlicher werden.

Derzeit sind polykristalline Si-Module und Dünnschicht-CdTe-Module mit jeweils etwa 0,90 kWp auf dem Prüfstand installiert. Mit dem PV-Modul können u.a. die elektrische Messgrößen Bestrahlungsstärke, Leerlaufleistung am PV-Modul, Zuschalten der Strommessung bestimmt werden. Durch Verändern des angelegten Widerstands an das Modul kann die Strom-Spannungs-Kennlinie und damit der MPP-Punkt (Maximum Power Point) ermittelt werden. Zudem kann auch eine Verschattung des PV-Moduls simuliert und deren Einfluss auf Reduzierung der Modulleistung untersucht werden.

Der Wärmespeicher- und System-Prüfstand dient zur Wärmespeicher-Vermessung, z.B. nach DIN 4708 oder EN 12977, sowie zur Simulation von Gebäudeheizungssystemen. Mit dem Wärmespeicher-Prüfstand kann das thermische Verhalten des Speichers unter diversen Betriebsbedingungen (unterschiedliche Wärmeerzeuger- und Wärmeverbraucherprofile) untersucht werden. Außerdem kann den Inhalt und thermische Kapazität, Betriebsbereitschaftsverlust, Wärmeübertragungsvermögen und Druckverlust eingebauter Wärmetauscher und Qualität der Temperaturschichtung messtechnisch ermittelt werden. 

Der Solarsystem-Prüfstand dient zur Untersuchung der Solarkollektoren im Zusammenspiel mit dem Energiesystem eines Gebäudes. Das System (Gebäude, Art der Wärmebereitstellung und -entnahme) kann innerhalb gewisser Grenzen variiert werden. Dabei handelt es sich um einen sog. HiL (=Hardware-in-the-Loop)-Prüfstand. HiL bedeutet, dass einige Bestandteile, die es in dem realen System gibt (z.B. Gebäudelast, Heizung, etc.) simuliert werden. Andere Bauteile (z.B. die (Kunststoff-)Kollektoren, den Speichertank, etc.) gibt es sowohl in dem realen System als auch in dem HiL-System. Der Fokus der durchgeführten Tests liegt dabei weniger auf den Kollektoren, sondern auf dem Zusammenspiel zwischen Kollektoren und dem umgebenden System. Somit kann der solare Deckungsgrad, d.h. das Energieverhältnis aus der bereitgestellten Energiemenge durch eine solarthermische Anlage zum Gesamtwärme- oder Energiebedarf eines Systems in Prozent, messtechnisch ermittelt werden.

Die Wetterstation dient zur lokalen Erfassung der Wetterdaten (Temperatur, Luftdruck, Feuchte, Windrichtung und -geschwindigkeit, Globalstrahlung und Niederschlagsmenge) und zum Einsatz in Forschungs- und Entwicklungsprojekten. Die Messwerte der Wetterstation können unter www.RegIN-plus.de online abgerufen werden (Webseite zum Netzwerkprojekt „Regeneratives Energienetzwerk Region Ingolstadt – RegIN+“). 

Laborleitung und Team

Institut für neue Energie-Systeme (InES), Institutsleitung
Prof. Dr.-Ing. Wilfried Zörner
Tel. : +49 841 9348-2270
Raum : A222 P302
E-Mail :
Technologiefeldleiter Solarenergietechnik am Institut für neue Energie-Systeme (InES)
Dr.-Ing. Michael Klärner
Tel. : +49 841 9348-6436
Raum : P309
Fax : +49 841 9348-996436
E-Mail :
Laboringenieurin
Dipl.-Ing. (FH) Leslie Bauer
Tel. : +49 841 9348-4410
Raum : A121
E-Mail :
Laboringenieurin
Dipl.-Ing. (TU) Ping Idda
Tel. : +49 841 9348-2631
Raum : A121
E-Mail :