Projekt 37732/01

Studie zur Entwicklung von dreidimensional verformbaren Faserverbunden mit dem Anwendungsziel eines nachgeführten Solarmoduls

Projektdurchführung

Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF), Stiftung des öffentlichen Rechts
Körschtalstr. 26
73770 Denkendorf

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel der beantragten Studie ist die Entwicklung neuer Materialsysteme und Bewegungsmechanismen für dreidimensionale Bewegungsapparate von nachgeführten Solarpanels durch interdisziplinäre Forschung von Bauingenieuren, Architekten und Materialwissenschaftlern. Im Allgemeinen sind in beweglichen technischen Systemen Antrieb und Lagerung getrennte Funktionen. Die dabei verwendeten Scharniere und Kugellagerhalterungen sind störanfällig und wartungsintensiv. Innerhalb der Studie soll gezeigt und bewiesen werden, dass mit faserbasierten Materialsystemen und pneumatischen Aktuatoren Bewegungsapparate für dreidimensionale Verformungen abgebildet werden können. Durch den Einsatz pneumatischer Aktuatoren wäre die Position der Elemente in Relation zur Sonneneinstrahlung stufenlos regelbar, so dass die Energieausbeute maximiert werden kann. Gleichzeitig besticht der Ansatz durch geringere Betriebs- und Wartungskosten im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. Die Studie soll das Potenzial faserbasierter Materialsysteme für die Umsetzung von Bewegungsapparaten zeigen und Basis für weitere Projekte in diesem Bereich sein, die das Ziel verfolgen, den Ausbau der Solartechnik in Deutschland zur Erreichung der Klimaziele zu beschleunigen.




Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Forschungspartner haben das Ziel, zum Abschluss der Studie einen Demonstrator technisch umzusetzen. Mit diesem soll das Potenzial von nachgiebigen Mechanismen basierend auf faserverstärkten Kunststoffen für die Bewegungsübertragung aufzeigt werden. Am Beispiel der Photovoltaik soll gezeigt werden, dass sich solche Bauteile funktionalisieren lassen und durch die stufenlose Regelbarkeit ein Mehrwert für die technische Anwendung generiert werden kann.




Ergebnisse und Diskussion

Um das Potenzial der vorgeschlagenen Lösung als adaptive, der Sonne nachgeführte Fassade zu demonstrieren, wurde ein voll beweglicher Demonstrator gebaut. Bei diesem Demonstrator handelt es sich um eine Abstraktion des Entwurfs einer Südfassade, die mit achteckigen, 1-achsig nachgeführten Solarmodulen bedeckt ist, die sich um bis zu 160° biegen können. In ihrem ursprünglichen, nicht aktuierten (Kissen nicht mit Druckluft beaufschlagt) Zustand stehen die Module senkrecht (90°) zur Glasfassade und können (aktuiert) um +80° nach links oder -80° nach rechts gebogen werden.

Solare Nachführung
Es wurden vier Städte in verschiedenen Breitengraden ausgewählt, um die einfallende Sonneneinstrahlung auf fest installierte Oberflächen in verschiedenen Ausrichtungen und auf Oberflächen mit einer 1- und 2-Achsen-Nachführung zu analysieren. Das Potenzial der Solarnachführung mit einer 1-achsigen Nachführung auf einer vertikalen Fläche, die der Sonne den ganzen Tag über folgt, sowie mit einer 2-Achsen-Nachführung für eine jahreszeitlich-tägliche Nachführung wurde aufgezeigt. An Orten oberhalb des Äquators würden Module mit 1-achsiger Nachführung genauso viel Energie liefern, wie ein festes Solarmodul auf einer horizontalen Fläche. Dies ist vor allem in städtischen Gebieten von Vorteil, in denen vertikale Flächen (Fassaden) vorherrschen. Ein 2-achsig nachgeführtes Modul würde einen höheren Ertrag an Solarenergie liefern. In diesem Fall wären die Module nicht mehr parallel zu den vertikalen Flächen (Fassaden) und die Neigung der Paneele würde die Komplexität der Konstruktion und eine mögliche Überschattung der Module erhöhen.

Aktuator
Für das Tracking der Sonneneinstrahlung/Maximierung des PV-Ertrags einer Fassade sind in der Studie „3DSunTrack“ Elemente aus Faserverbundkunststoff vorgesehen, deren Oberfläche mit Dünnschicht-Photovoltaik funktionalisiert wird. Im FVK sind Gelenkzonen integriert, über die sich die Verformung einstellen lässt. Die Bewegung selbst wird durch in die Gelenkbereiche integrierte pneumatische Kissen ausgelöst. Die Kissen sind asymmetrisch – mit Blick auf die Steifigkeitsverteilung im FVK ober- und unterhalb eines Kissens – in den Lagenaufbau des Faserverbundkunststoffs integriert. Hierdurch kann sich das Kissen stärker in eine Richtung ausdehnen und eine Verformung des FVK hervorrufen. Bisherige Untersuchungen der beteiligten Institute beschränkten sich auf zweidimensionale Verformungen eines FVK durch die pneumatische Aktuierung eines Kissens im Faserverbundwerkstoff, bzw. die Verformung um mehr als 90° in eine Richtung durch die Implementierung mehrerer nebeneinander liegender Kissen. In der Studie wurden Aufbauten mit zwei Kissen in verschiedenen Laminatebenen untersucht.

Faserverbund
Innerhalb der Studie „3DSunTrack“ wurden, aufbauend auf den bisherigen Arbeiten des ITFT, verschiedene Materialien für die technische Umsetzung von dreidimensional verformbaren Faserverbundkunststoffen in Betracht gezogen. Hierzu gehören duro- und thermoplastische Materialsysteme. Entsprechend vorangegangener Arbeiten zur Integration eines Kissens in den FVK, wurde das Kissen zwischen zwei Elastomeren Schichten integriert. Hierzu wird durch einen Teflonstreifen (b=100 mm) eine Hohlkammer im FVK erzeugt, in die das Kissen nachträglich eingeschoben wird. In dieser Studie wurde die Integration von zwei Kissenkammern mit einer theoretisch resultierenden Bewegung um bis zu 180° Biegewinkel für die Solar-Nachführung untersucht. Der resultierende Biegewinkel beträgt theoretisch 90° je Richtung, jedoch ist die Stabilität des Gesamtaufbaus/die Bewegungskontrolle erheblich reduziert. Darüber hinaus behindert die im Kissen verbleibende Luft nach der Aktuierung in die eine Richtung die Verformung in die andere Richtung. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine Versuchsreihe durchgeführt, bei der die Kissen nebeneinander als auch überlappend im Laminataufbau integriert wurden. Der Aktuierungsbereich wird durch die Platzierung der Kissen nebeneinander deutlich vergrößert und die Bewegung verbessert.





Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Resultate und Erkenntnisse fließen in die Lehre an der Hochschule Reutlingen und der Universität Stuttgart mit ein.
zwei Veröffentlichungen/Paper in Planung



Fazit

Innerhalb der Studie „3DSunTrack“ konnte in 1,5 Jahren interdisziplinärer Forschungs- und Entwicklungsarbeit ein Demonstrator entwickelt werden. Dieser zeigt zum einen das Potenzial adaptiver FVKs für die technische Umsetzung nachgiebiger Mechanismen, zum anderen aber auch das Potenzial der Energiegewinnung aus Fassaden. Bisher werden Glasfassaden ausschließlich verschattet, um Energie für die Klimatisierung der Gebäude einzusparen. – mit dem Ansatz der Oberflächenfunktionalisierung von Verschattungssystemen durch Dünnschicht-Photovoltaik kann allerdings parallel sogar Energie gewonnen werden. Die Entwicklungsarbeit zeigt darüber hinaus, dass auch komplexe Nachführungen, wie sie für den bestmöglichen Energiegewinn notwendig sind, durch nachgiebige Mechanismen bzw. adaptive FVK umgesetzt werden können.