Zusammen mit der Fa. RESOL arbeitet das Fraunhofer ISE an einer Software zur Systemsimulation, mit der man Regelungssysteme für solarthermische Anlagen entwickeln und überprüfen kann.

Je komplexer eine solarthermische Anlage, desto wichtiger ist die Regelung. Eine schlechte Regelung kann den Gesamtnutzungsgrad beeinträchtigen. Um die Systemregelung auch für komplexe Anlagen projektieren und optimieren zu können, haben wir die Simulationsumgebung ColSim entwickelt. Sie gestattet Regelungsoptimierungen und sagt für das gesamte Betriebsjahr etwas über die Effizienz des Kollektorsystems und den zu erwartenden Wärmekomfort für die Nutzer aus.

Wir portierten die Software des PC-basierten Reglers RS8000 der Fa. RESOL auf das Betriebssystem Linux, um eine Emulation des Reglers herbeizuführen. Wir bildeten dazu das LCD-Display des Reglers im Windowssystem ab. Mit Hilfe der Simulationsumgebung ColSim wird dem emulierten Regler das dynamische Anlagenverhalten aufgeprägt, so dass die Funktion getestet werden kann. Dies ermöglicht die vollständige Entwicklung des Regelungsalgorithmus ausserhalb der Zielhardware. Da die Regelungssoftware in ANSI-C implementiert werden kann, ist auch die direkte Einbindung eines Regelungsmoduls aus ColSim möglich, so dass ein Download auf die Regelungshardware RS8000 erfolgen kann.

Wir verbessern die optische Ausbeute von Reflektoren, die z.B. bei thermischen Vakuumkollektoren eingesetzt werden.

Mit 3-dimensionalen Strahlverfolgungsrechnungen (Forward Ray-Tracing, Abbildung 1) berechnen wir die insgesamt absorbierte Strahlungsleistung und die Strahldichteverteilung am Absorber unter Berücksichtigung der Materialparameter von Reflektoren und transparenten Komponenten. Damit können wir nicht nur die Reflektorgeometrie optimieren, sondern über eine Sensitivitätsanalyse auch feststellen, wie sich herstellungsbedingte Ungenauigkeiten der Geometrie oder der Oberfläche auswirken. Ziel ist ein wirtschaftlich optimaler Kompromiss zwischen Fertigungskosten der Reflektoren und ihrer Solar-Strahlungs-Ausbeute.

Solaranlagen zur Heizungsunterstützung sind im Sommer oft extremen Stillstandstemperaturen ausgesetzt. Ziel unserer Untersuchungen ist, Funktion und Lebensdauer dieser Anlagen zu verbessern.

In Deutschland werden immer mehr Kollektoranlagen installiert, mit denen nicht nur das Brauchwasser erwärmt, sondern auch ein Teil des Heizenergiebedarfs gedeckt wird. Vorreiter der Entwicklung ist Österreich, wo bereits rund 40 % der neu installierten Kollektorfläche die Raumheizung solar unterstützen. Bei diesen Anlagen ist das Verhältnis Kollektorfläche zu Speichervolumen deutlich größer als bei reiner Brauchwassererwärmung. Im Sommer gehen die Anlagen deshalb oft in "in den Stillstand". Der Kollektor heizt sich schnell bis zu seiner Stillstandstemperatur auf. Sie liegt bei Flachkollektoren im Bereich von 180 °C bis 200 °C, bei Vakuumröhrenkollektoren von 220 °C bis 300 °C. Das Wasser-Glykol-Gemisch im Kollektorkreis verdampft dann bei den üblichen Anlagendrücken von 2 bis 4 bar und kondensiert später beim Abkühlen wieder. Dabei entstehen im Kollektorkreis Dampfschläge mit starken Druckspitzen und alle Komponenten im Kollektorkreis erfahren gleichzeitig eine hohe thermische Belastung. In einem von der Europäischen Kommission unterstützten Projekt untersuchen wir zusammen mit Partnern aus Österreich und Deutschland das Stillstandsverhalten thermischer Kollektoren. Im Projekt sind Hersteller von Kollektoren, Pumpen, Regelungen und Wärmeträgermedien vertreten.

Im Frühjahr 2000 haben wir am Systemteststand des Fraunhofer ISE zwei Röhrenkollektorsysteme mit unterschiedlicher interner Verrohrung installiert. Wir vermessen sie seitdem kontinuierlich unter verschiedenen Betriebsbedingungen und beobachten speziell die Verdampfung des Fluids während des Stillstands. Mit unserer ereignisgesteuerten, hochfrequenten Druckmessung konnten wir wesentliche Erkenntnisse über den Energie- und Dampftransport sowie die Belastung der Komponenten gewinnen. Dabei wird alle 4 Millisekunden gemessen und das Ergebnis zwischengespeichert. Überschreitet einer der Messwerte eine Schwelle, werden die gesamten Messwerte des Verdampfungsvorgangs dauerhaft gespeichert. So konnten wir auch sehr kurze Druckschwankungen aufspüren. Sie traten auf, wenn flüssiges Wärmeträgermedium in überhitzte Regionen des Kollektors gelangte.

Für den langfristigen Betrieb einer solarthermischen Anlage muss man die Belastung des Wärmeträgermediums kennen. Darum bauten wir eines der beiden Kollektorsysteme als reduziertes System ohne Speicher auf und setzten so das Fluid der maximalen Stillstandsbelastung aus. Statistische Auswertungen der Häufigkeit der Temperaturen und der Verdampfungsvorgänge gaben Anhaltspunkte zur Verbesserung des Wärmeträgermediums.

Bereits heute werden weltweit täglich 50 Millionen m ³ Trinkwasser aus Meer- oder Brackwasser gewonnen. Die zum Einsatz kommenden, technisch ausgereiften Entsalzungstechnologien sind fast ausnahmslos auf die Versorgung infrastrukturell gut erschlossener Ballungsräume ausgerichtet. Am Fraunhofer ISE arbeiten wir an Entsalzungssystemen, die solarthermisch und photovoltaisch versorgt und damit vollkommen energieautark sind, um in infrastrukturell schwachen Gebieten zur Aufbereitung kleiner Trinkwassermengen eingesetzt werden zu können.

Für kleine, dezentral einsetzbare Entsalzungsanlagen besteht ein erheblicher Entwicklungsbedarf, da die für großtechnische Anwendungen eingesetzten, konventionellen Entsalzungsverfahren nicht ohne weiteres auf Anlagen mit kleinen Produktionskapazitäten herunter skaliert werden können. Außerdem besteht bei der Nutzung von regenerativen Energiequellen wie Solar- oder Windenergie das Problem der diskontinuierlichen Energieversorgung.

Bei den am Fraunhofer ISE entwickelten solar betriebenen Entsalzungssystemen setzen wir deshalb spezielle, an diese Bedingungen angepasste Entsalzungsmodule ein, die nach dem Prinzip der Membrandestillation arbeiten. Diese Module werden am ISE sowohl weiterentwickelt als auch für Prototypenanlagen gefertigt. Wir unterscheiden zwischen »Kompaktanlagen« für Kapazitäten bis 150 l pro Tag und Einheit und »Zweikreissystemen«, die je nach Baugröße Kapazitäten zwischen einem und zehn m ³ pro Tag abdecken können.