Wie funktioniert ein Solarprüfstand?

Heute gibt’s mal wieder ein bisschen theoretisches Lesefutter: Ich erkläre im vorliegenden Artikel kurz und knapp, was ein sogenannter Solarprüfstand ist und wie er funktioniert. Und das am Beispiel des Solarprüfstands, den Christoph Zinganell für seine Diplomarbeit zur solaren Fernwärme in Österreich benutzt hat, die wir hier auf dem Blog in einer kleinen Serie vorstellen.

Ein Prüfstand ist grundsätzlich ein Versuchsaufbau, mit dessen Hilfe man technische Systeme oder Bauteile auf ihre Funktionalität hin überprüfen kann. Dabei wird der Prüfstand so ausgestattet, dass er den künftigen Einsatzorten beziehungsweise -arten der Systeme oder Bauteile entspricht.

Was ist ein solarer Prüfstand?

Bezogen auf die Solarthermie ist ein solarer Prüfstand also ein Versuchsaufbau, mit dem man praxisnahe Erkenntnisse zur

• Planung
• Inbetriebnahme
• und den Betrieb

von solarthermischen Anlagen ermitteln kann.

Solarprüfstand des Fraunhofer-Instituts ISE

Solarprüfstände sind sehr aufwendige und teure Versuchsaufbauten, die sich häufig nur entsprechend finanziell gut aufgestellte Unternehmen oder Institute leisten können, die in dieser Richtung forschen und entwickeln.

So hat beispielsweise das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE einen solaren Prüfstand, um Solarthermie-Kollektoren zu prüfen. Mit dem Prüfstand  ist das Fraunhofer ISE nach eigenen Angaben in der Lage, „komplexe Fragestellungen zur mechanischen Stabilität von solarthermischen Kollektoren einschließlich deren Montagesysteme für Dach- und Fassadenanwendungen zu klären“. Die zu prüfenden Kollektoren können demnach bis zu maximal neun Quadratmeter groß ein. Sie werden im Solarprüfstand einer Belastung von bis zu sieben Tonnen Druck und Zug ausgesetzt. Eine Besonderheit des ISE-Solarprüfstands sei, dass die Lastprüfungen bei extremen Temperaturen von minus 40 bis 60 Grad Celsius durchgeführt werden könnten. Darüber hinaus ermögliche der Prüfstand erstmals, „zyklische sowie asymmetrische Belastungen, zum Beispiel im Winter unterschiedlich starke Schneeanhäufungen auf der Kollektorfläche, zu simulieren wie sie auch real durch das Aufstauen von Schnee und Eis entstehen“, heißt es in der Pressemitteilung des ISE, die zur Inbetriebnahme des Prüfstands Ende 2012 herausgegeben wurde. Korbinian Kramer, Leiter der Gruppe Prüfzentrum und Qualitätssicherung am Fraunhofer ISE, sagte dazu: „Der neue Prüfstand ermöglicht eine erweiterte Untersuchung der Verbindungstechniken und Montagesysteme der Kollektoren bei unterschiedlichen Temperaturen und realistischen Lastfällen. Dies ist ein wesentlicher Fortschritt gegenüber den etablierten Prüfverfahren, in denen die Lasten lediglich senkrecht und bei Raumtemperatur aufgebracht werden.“

Auch die solarthermischen Bauteile, die mit dem Qualitätslabel Solar Keymark zertifiziert werden, müssen sich einem Test unterziehen, der auf einem Solarprüfstand erfolgt. Die Testergebnisse werden in der Anlage (sogenanntes Datenblatt 1 und 2) zur Solar Keymark festgehalten.

Solarer Prüfstand – das Wiener Beispiel

In der Diplomarbeit zum österreichischen Fernwärmemarkt, die ich hier auf dem Blog in einer kleinen Artikelserie ausführlich vorstelle, nutzt auch deren Autor Christoph Zinganell einen Solarprüfstand, um die verschiedenen Solarthermie-Systeme „nicht nur theoretisch zu evaluieren, sondern auch die Möglichkeiten und Herausforderungen in der Praxis kennenzulernen“, wie er selbst es beschreibt. Sein Solarprüfstand hat folgende Kennzeichen:

Welcher ist der Prüfstandort?

• Flachdach (310 Quadratmeter/m²) auf einem Betriebsgebäude der Wien Energie GmbH in der Skrabalgasse 3, 1220 Wien.
• Exakte geographische Koordinaten des Gebäudes mit dem solaren Versuchsaufbau: 48,235 Grad geographischer Breite und 16,454 Grad geo-graphischer Länge.

Welche Kollektoren und Kollektorsysteme werden benutzt?

• Flachkollektor
• Vakuumröhrenkollektor (indirekt und direkt durchflossene Modelle)

Die Grafik aus Christophs Diplomarbeit zeigt die Kollektordaten der Vakuum-Röhrenkollektoren, die am Solarprüfstand zum Einsatz kamen. Es waren sogar Ritter Kollektoren dabei, also die, dessen Hersteller auch hinter diesem Blog stehen.

• Solarwand
• Parabolrinne

Die folgende Grafik aus Christophs Diplomarbeit zeigt die Eigenschaften unterschiedlicher Solarthermie-Kollektoren auf:

Wie hoch ist die erwartete Globalstrahlung am Prüfstandort

Am 48. Breitengrad (Wien; München) sei laut Christoph Zinganell eine gemittelte jährliche Globalstrahlung von circa 1.100 Kilowattstunden (kWh · m-²) auf eine horizontale Fläche zu erwarten, was umgerechnet einem Tagesdurchschnitt von 3 kWh · m-² ? d-1 entspreche. Eine Auswertung aktueller Daten der Jahre 2001 bis 2011 ergab demnach einen Jahresdurchschnitt von 1.207 kWh · m-² am Standort Hohe Warte, was wiederum umgerechnet einen Tagesdurchschnitt von 3,3 kWh · m-² ? d-1 entspricht.

Spannend finde ich die Erkenntnis von Christoph, dass sich beim Vergleich der Zehnjahres-Durchschnitte der Globalstrahlungswerte von den Jahren 1961 bis 1970 (1.097 kWh · m-²) mit den Zehnjahres-Durchschnittswerten von 2001 bis 2010 (1.198 kWh · m-²) ein Anstieg von 9,2 Prozent in den letzten 40 Jahren ergibt. Ist doch auch das ein Zeichen, den der menschengemachte Klimawandel setzt, oder?

Die Verläufe der Jahresdurchschnitte der Perioden 1961 bis 1970 und 2001 bis 2010 sind in Abbildung 15 dargestellt.

Die nächste Grafik zeigt der Vollständigkeit halber noch die durchschnittliche monatliche Globalstrahlung der Jahre 1966 bis 1980.

Das wars also mit dem theoretischen Einschub zum Thema Solarprüfstand. Alles klar? Ihr dürft gespannt sein, auf die Ergebnisse.

Foto: Fraunhofer-Institut ISE (Titel), Christoph Zinganell (4 Grafiken)