Projekt 23534/01

Entwicklung eines kostengünstigen, hocheffizienten Solarkollektors und dessen Herstellungstechnologie

Projektträger

NARVA Lichtquellen GmbH & Co. KG
Erzstr. 22
09618 Brand-Erbisdorf
Telefon: 037322/17290

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen des vorliegenden Forschungs- und Entwicklungsvorhabens sollen die wissenschaftlichen Grundlagen für das Design eines besonders wirtschaftlichen Solarvakuumkollektors entwickelt und die erforderliche Prozesstechnologie durch intensive theoretische und experimentelle Arbeit erarbeitet wer-den. Die Arbeiten des Forschungs- und Entwicklungsteams zielen vor allem auf Verbesserungen der betriebswirtschaftlichen Ergebnisse von Vakuumröhren-Solarkollektor-Anlagen. Dabei ist eine Hauptzielrich-tung der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, die Voraussetzungen für den Einsatz von kostengünstigeren Materialien, wie z. B. von preisgünstigem Glas, zu schaffen. Die andere Hauptzielrichtung ist die Gestaltung der Herstellungsprozesse mit der Zielsetzung einer umweltschonenden aber hocheffizienten Technologie.
In Deutschland werden ca. 48 % der Primärenergie für Gebäudeheizung verwendet. Da das Verhältnis zwischen Kosten und Energieertrag bei Solarthermie deutlich dichter an der Wirtschaftlichkeitsgrenze liegt, als bei netzgebundener Photovoltaik oder Windenergie plädieren führende Wirtschaftswissenschaftler für eine deutlich breitere Anwendung der Solarthermie, um erforderliche Umweltentlastungen zu erreichen. Die NARVA Lichtquellen GmbH +Co. KG ist ein innovatives Unternehmen, dessen Erfolg auf der Flexibilität gegenüber aktuellen Marktentwicklungen beruht. In der erfolgreichen Bewältigung des erwähn-ten Forschungsthemas sieht das Unternehmen die Chance neue Produkte zu entwickeln, neue Märkte zu erschließen und damit
vorhandene Arbeitsplätze dauerhaft zu sichern und neue Arbeitsplätze zu schaffen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Hüllrohr des Solarvakuumkollektors muss für die speziellen Ansprüche mechanisch und funktionell optimiert werden. Das beinhaltet eine Optimierung der Geometrie und eine Optimierung der Glasoberfläche durch die Anwendung moderner Sol-Gel-Technolgien. Der Absorber bildet das Kernstück des Kollektors und ist entsprechend den Kriterien der Effizienz, der Prozessfähigkeit und des Langlebensdauerverhaltens zu dimensionieren. Die Gestaltung und Ausführung aller Glas-Metall-Anbindungen zur Bauteilkomplettierung bedarf einer sensiblen Verbindung von höchsten Design- und Funktionsansprüchen und beherrschbaren Technologien. Für alle Teilaufgaben sind Prüfverfahren zu entwickeln, die sichere und repräsentative Qualitätsaussagen zum jeweiligen Entwicklungsstand und eine Verfolgung der Qualitätskontinuität für die Zukunft ermöglichen.
Nach abgeschlossener Optimierung der einzelnen Solarkollektorröhre erfolgt die Montage kompletter Module und ihre Erprobung in der Praxis. Den Abschluss bildet die Entwicklung einer Verpackungstechnologie und die Komplettierung des Qualitätssicherungssystems entsprechend den betriebsinternen Erfordernissen und den Erkenntnissen aus dem Projekt.
Die Umsetzung der einzelnen Projektschritte bedingt maschinenbauliche Neuentwicklungen und konstruktive Anpassungen durch erfahrenes Fachpersonal innerhalb und außerhalb des Unternehmens.


Ergebnisse und Diskussion

Die Grundlage für die erfolgreiche Durchführung des Forschungsvorhabens waren die umfangreichen Erfahrungen des Unternehmens in den Bereichen: Glasherstellung, Glasbeschichtung, Glasverarbeitung, Glas-Metall-Verbundausführung, Vakuumtechnik, Montage- und Konstruktionstechnik, Maschinenbau und Technologie.
Nach intensiven Studien zur Festlegung baulicher und technologischer Details der Kollektorröhre erfolgte eine Fertigung von Prototypen im Labormaßstab und eine Fertigung von umfangreicheren Stückzahlen an eigens entwickelten Modell- und Pilotmaschinen. Alle technologischen Teilschritte wurden zwischen-zeitlich soweit perfektioniert, dass eine Kollektorfertigung unter Produktionsbedingen realisierbar ist (Fertigungskapazität 600 Stück/Stunde).
Durch die Entwicklung eines speziellen Beschichtungsverfahrens gelang es, die hydrolytische Beständigkeit und die Transmission des verwendeten Glasrohres (Kalk-Natron-Glas) gravierend zu verbessern. Diese Ergebnisse waren die Grundvoraussetzung für die angestrebte Ablösung von Borosilikatglas.
Die metallischen Komponenten zur Absorption, Wärmeleitung und Medienführung konnten hinsichtlich ihrer funktionellen Ausführung, den ästhetischen Ansprüchen und der Montageausführung unter dem Gesichtpunkt einer umsetzbaren Massenfertigung optimiert werden. Der vakuumdichte Verschluss der Kollektorröhre gestaltete sich besonders im Bereich Glas-Metall-Verbund als ausgesprochen kompliziert. Hierfür wurde eine neuartige funktionelle Lösung gefunden, deren Technologieumsetzung auch im ma-schinenbaulichen Bereich eine Innovation darstellt. Da der Wirkungsgrad einer Kollektorröhre gravierend durch die Vakuumqualität bestimmt wird, wurden im Vorfeld der praktischen Umsetzung umfangreiche mathematische Modellierungen zur Vakuumoptimierung durchgeführt. Die Resultate bildeten eine stabile Grundlage für kostenoptimierte und erfolgsgesicherte Forschungsarbeit. Durch ein komplettes Ausheizen des Kollektors vor dem und ein speziell abgestimmtes Pumpregime beim Evakuieren konnte die angestrebte Vakuumqualität und damit auch die angestrebte Endqualität der Kollektorröhre realisiert werden.
Aufgrund der überzeugenden Produktqualität erfolgt im Unternehmen ab September 2006 die Inbetriebnahme einer Fertigungslinie zur Kollektorröhren-Herstellung. Im Rahmen dieser Fertigung werden die erhaltenen Forschungsergebnisse umgesetzt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Details zu einzelnen Forschungsleistungen sind in mehren Schutzrechten formuliert, die bereits erteilt wurden bzw. sich in der Prüfung befinden.
Das entwickelte Produkt soll perspektivisch im Unternehmen gefertigt werden (Inbetriebnahme der Fertigungslinie am 18.09.06). Der Vertrieb und die Präsentation des kompletten Solarkollektors erfolgt durch eine separate Firma, die die einzelnen Kollektorröhren zu einer Solarbatterie montiert.


Fazit

Das Projektziel wurde erreicht.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens ist es gelungen, eine Kollektorröhre zu entwickeln, deren Materialkosten bei der Herstellung um 20 % reduziert werden konnten. Parallel dazu wurde der Wirkungsgrad (Energieertrag) des Erzeugnisses um 10 % verbessert.
Diese Erfolge wurden durch eine Werkstoffsubstitution beim Hüllkolben (Verwendung von preiswertem, neuartig beschichtetem Kalk-Natron-Glas statt teurem Borosilikatglas), eine Minimierung der Strahlungsverluste und Optimierungen im Bereich der Vakuumtechnik ermöglicht.
Zur Ausführung der vakuumdichten Verschmelzung des Hüllkolbens mit Metallteilen wurde ein spezielles Verbundverfahren entwickelt.