Experimentelle Untersuchung der Energie- und Exergieeigenschaften eines neuartigen Solarkollektors mit wirbelnder, umgekehrter zirkularer Strömungsstrahlaufschlagung

Warum es wichtig ist, Solarmodule kühl zu halten

Solarmodule sind zu einer Säule sauberer Energie geworden, haben aber eine Achillesferse: sie mögen keine Hitze. Wenn ein Modul in der Sonne aufheizt, steigt die Oberflächentemperatur und seine Fähigkeit, Sonnenlicht in Strom umzuwandeln, sinkt beständig. Diese Studie untersucht einen neuen Weg, Module kühler zu halten, indem geschickt geformte Luftkanäle unter ihnen eingesetzt werden, wodurch sowohl die Leistungsabgabe als auch die nutzbare Energiemenge, die wir aus der Sonne gewinnen können, gesteigert werden.

Eine neue Variante der Modul­kühlung

Die meisten Aufdachsysteme lassen die Rückseite eines Solarmoduls einfach nur vom Luftstrom umspülen. Ingenieure wissen, dass man besseres erreichen kann, indem man Luft oder Wasser hinter das Modul leitet, um Wärme abzutransportieren. Das Team hinter dieser Arbeit konzentrierte sich auf Luft, die kostenlos, sauber und einfach zu handhaben ist. Aufbauend auf früheren „Strahlaufschlagungs“-Designs — bei denen Luftstrahlen auf die Rückseite des Moduls treffen — entwickelten sie einen neuen Kollektor, der der Luftströmung eine Wirbelbewegung hinzufügt. Kleine, becherförmige Bauteile, 3D-gedruckt aus Kunststoff, sitzen in einer flachen Box unter dem Modul. Luft tritt seitlich in jeden Becher ein, wirbelt darin umher und wird dann nach oben zur Rückseite der Solarzellen gelenkt, bevor sie den Kollektor verlässt.

Wie das neue System getestet wurde

Die Forschenden bauten drei Varianten eines kleinen Solarsystems: ein ungekühltes Modul ohne spezielle Kühlung, ein Modul mit einem standardmäßigen umgekehrten zirkularen Strahlaufschlagungs‑(RCFJI) Kollektor und ein Modul mit dem neuen wirbelnden Design, genannt SRCFJI. Alle drei wurden in Innenräumen unter künstlichem Sonnenlicht getestet, dessen Intensität zwischen mäßig und stark (500 bis 900 Watt pro Quadratmeter) variiert werden konnte. Ebenso wurde die durch den Kollektor geförderte Luftmenge verändert, von einer sanften Brise bis zu deutlich stärkeren Strömungen. Während jedes Tests maßen sie sorgfältig Modultemperaturen, elektrische Leistung, die von der Luft abgeführte Wärme und wie viel der eintreffenden Sonnenenergie prinzipiell in nutzbare Arbeit umgewandelt werden könnte.

Kühlere Module, bessere Leistung

Die Ergebnisse zeigten ein klares Muster: mehr Luftstrom bedeutete kühlere Module und bessere Leistung; stärkere Sonneneinstrahlung erhöhte zwar die Rohleistung, trieb aber auch die Temperaturen hoch und schädigte letztlich die Effizienz. Im Vergleich zum ungekühlten Modul senkten beide Strahldesigns die Oberflächentemperaturen deutlich, doch die wirbelnde Variante schnitt am besten ab. Unter den härtesten Testbedingungen — hohe Sonneneinstrahlung und starker Luftstrom — erreichte die Oberfläche des ungekühlten Moduls fast 80 Grad Celsius. Das Standard‑Strahldesign verringerte dies um etwa 21,6 %, und das wirbelnde Design steigerte die Reduktion auf rund 25,3 %, womit das Modul noch einige Grad kühler blieb. Diese zusätzliche Kühlung übersetzte sich direkt in höhere elektrische Wirkungsgrade und mehr erzeugte Watt.

Über die einfache Effizienz hinaus: nutzbare Energie

Um das System tiefergehend zu beurteilen, nutzte das Team außerdem eine Exergieanalyse, die abschätzt, wie viel der erfassten Energie nach Berücksichtigung aller unvermeidbaren Verluste in praktische Arbeit umgewandelt werden kann. Auch hier lag das wirbelnde Design vorn. Im Vergleich zu einem ungekühlten Modul erhöhte der SRCFJI‑Kollektor die elektrische Energieeffizienz um etwa 12 % und die thermische Energieeffizienz um mehr als 4 %. In Exergie‑Begriffen verbesserte sich die elektrische Leistung um ungefähr 11 %, und der Anteil der Wärme, der als tatsächlich nutzbar angesehen werden kann, stieg um fast 5 %. Die Gesamtleistung des aufgerüsteten Aufbaus stieg im Vergleich zum Standardmodul um etwa 22 % an.

Was das für zukünftige Solarsysteme bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Botschaft klar: Indem man die Luftkanäle unter einem Solarmodul so gestaltet, dass die Luft wirbelt und die Rückseite effektiver trifft, kann man das Modul kühler halten und mehr nutzbare Energie aus derselben Sonneneinstrahlung gewinnen. Der neue wirbelnde Strahlkollektor liefert mehr Strom und mehr nutzbare Wärme, ohne bewegliche Teile an der Moduloberfläche hinzuzufügen oder auf knappe Materialien angewiesen zu sein. Obwohl dieser Prototyp unter kontrollierten Innenbedingungen und im kleinen Maßstab getestet wurde, weist er auf praktikable Verbesserungen für reale Solaranlagen hin, besonders in heißen Klimazonen, wo Überhitzung ein dauerhaftes Problem darstellt.

Zitation: Alzoubi, M.A., Ibrahim, A., Alkhedher, M. et al. Experimental investigation of energy and exergy characteristics of a novel solar collector with swirling reversed circular flow jet impingement. Sci Rep 16, 6812 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37654-0

Schlüsselwörter: Kühlung von Solarmodulen, photovoltaisch-thermisch, Strahlaufschlagung, wirbelnde Luftströmung, Energieeffizienz