References of "Rullof, Johannes 015076825C"
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See detailEntwicklung und Modellierung eines Hybrid-Solarmodulkollektor-basierten Wärmepumpensystems auf der Basis von CO2 Direktverdampfung in Mikrokanälen
Rullof, Johannes UL

Doctoral thesis (2019)

As early as the end of the 1970s, heat pumps in combination with glycol-based large-area combined radiation environmental heat absorbers were developed as evaporators which, in comparison to forced ... [more ▼]

As early as the end of the 1970s, heat pumps in combination with glycol-based large-area combined radiation environmental heat absorbers were developed as evaporators which, in comparison to forced convection-based air heat pumps, not only used ambient energy but also solar energy as an energy source. However, due to the falling oil prices after the oil crisis, this technology, which was for the most part not yet economical and moreover required large absorber surfaces, could not prevail. Due to the significant re-duction in the heating requirement of new buildings, nowadays much smaller absorber surfaces are needed in combination with a heat pump, which leads to a renewed interest in the combination of heat pumps and absorbers. Above all, the combination of thermal absorber, based on free convection and radiation, and photovoltaic (PV) in one module (PVT module), may be an alternative to forced convection-based air heat pumps. The use of solar energy as the heat source of the heat pump leads one to expect higher coef-ficients of performance by achieving higher evaporation temperatures than conventional forced convection-based air heat pumps. Numerous publications describe the market potential of solar hybrid modules with di-rect evaporation (PVT-direct module), and several theoretical studies describe con-structive approaches and related calculations. However, to date, there is still no practi-cal implementation of a PVT hybrid module in combination with a module-integrated direct evaporation of the natural refrigerant CO2 in microchannels. So far, no experi-mental studies on CO2-PVT-based heat pump systems with direct evaporation have been carried out by research institutions. Thus, the proof of the constructive and func-tional feasibility of a CO2-based PVT-direct module as well as the energetic feasibility of the PVT-based CO2 heat pump system is still a desideratum. The three objectives of this work can be summarized as follows: 1. Development and production of the PVT-direct module for the analysis of the constructional feasibility of the PVT-direct module 2. Experimental investigation of the PVT-direct module for the analysis of both the thermal and electrical functional feasibility of the PVT-direct module 3. Analysis of the energetic feasibility of the PVT-based CO2 heat pump system [less ▲]

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See detailEntwicklung einer Regelungsstrategie für eine PVT-basierte CO2-Wärmepumpe
Rullof, Johannes UL; Lambers, Klaus Jürgen; Blieske, Ulf et al

in KI - Kälte Luft Klimatechnik (2018), 01-02

Die Kombination aus thermischen Absorber und Photovoltaik (PV) in einem Hybrid-Modul (PVT-Modul) vereint PV mit der (solarthermischen) Verdampfung des Kältemittels CO2 als Teilprozess einer Wärmepumpe und ... [more ▼]

Die Kombination aus thermischen Absorber und Photovoltaik (PV) in einem Hybrid-Modul (PVT-Modul) vereint PV mit der (solarthermischen) Verdampfung des Kältemittels CO2 als Teilprozess einer Wärmepumpe und kann zukünftig eine Alternative zu Luft-Wärmepumpen sein. Im Rahmen dieses Beitrags wird auf die Entwicklung einer Regelungsstrategie der PVT-basierten Wärmepumpe eingegangen, welche verschiedene Betriebsmodi in Abhängigkeit von dem Solarstrahlungsangebot sowie der Umgebungstemperatur vorsieht. [less ▲]

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See detailEntwicklung eines PV/Thermie-basierten Wärmepumpensystems auf der Basis von CO2 Direktverdampfung
Rullof, Johannes UL; Lambers, Klaus Jürgen; Blieske, Ulf et al

Poster (2018)

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Peer Reviewed
See detailDevelopment of a Control Strategy for a PVT-based CO2 Heat Pump
Rullof, Johannes UL; Lambers, Klaus Jürgen; Blieske, Ulf et al

in Proceedings of 7th International Energy and Sustainability Conference (IESC) (2018)

In recent years, the possibility of combining photovoltaics (PV) and solar thermal collectors into one solar hybrid module (PVT-module) has been increasingly investigated. PVT-modules produce thermal and ... [more ▼]

In recent years, the possibility of combining photovoltaics (PV) and solar thermal collectors into one solar hybrid module (PVT-module) has been increasingly investigated. PVT-modules produce thermal and electrical energy at the same time. Since the efficiency of a photovoltaic module decreases with increasing temperature, the temperature of the heat transfer media is often limited to about 30 °C and the PVT-module is combined with a heat pump, which increases the temperature on the “warm side”. A common approach is to integrate the PVT-module directly as an evaporator in a heat pump system (PVT-direct). This paper presents the development of a control strategy for a PVT-based CO2 heat pump that takes into account solar radiation, ambient temperature, wind speed, evaporator temperature and compressor power. The developed control strategy provides different operating modes depending on the solar radiation supply as well as the ambient temperature. [less ▲]

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See detailModellierung eines PVT-basierten Wärmepumpensystems auf der Basis von CO2 Direktverdampfung
Rullof, Johannes UL; Lambers, Klaus Jürgen; Blieske, Ulf et al

in Proceedings of Deutsche Kälte- und Klimatagung DKV 2018 (2018)

Die Systemkombination aus Wärmepumpe und solarthermischen Absorber, basierend auf freier Konvektion und Strahlung, und Photovoltaik (PV) in einem Modul (PVT-Modul) kann aufgrund der Reduzierung des ... [more ▼]

Die Systemkombination aus Wärmepumpe und solarthermischen Absorber, basierend auf freier Konvektion und Strahlung, und Photovoltaik (PV) in einem Modul (PVT-Modul) kann aufgrund der Reduzierung des Heizwärmebedarfs von Gebäuden und des verstärkten Betriebs von Wärmepumpen während der Niedrigstrompreiszeiten am Tage und dem damit verbundenen höheren Strahlungsanteil der Umweltwärme zukünftig eine Alternative zu zwangskonvektions-basierten Luft-Wärmepumpen sein. Der Beitrag beschäftigt sich mit einem CO2-Wärmepumpensystem, bestehend aus einem neuartigen Solar-Hybridmodul, welches einen mikrokanal-basierten Verdampfer einer CO2-Wärmepumpe mit einem PV-Modul vereint (PVT-direkt). Um die Machbarkeit des neuartigen PVT-direkt-Wärmepumpensystems zu demonstrieren, wird im Rahmen eines Forschungsprojekts ein funktionsfähiges PVT-direkt-Modul konstruiert und schließlich als Teil eines CO2-Wärmepumpensystems getestet und modelliert. Die Besonderheit der Kombination eines thermischen Absorbers mit einer Wärmepumpe liegt in der Erschließung der Solarenergie und Umgebungsenergie als Energiequelle. Hierbei ist die Kenntnis über die thermische Leistung des PVT-Moduls unter anderem durch den konvektiven Wärmeübergang zwischen dem PVT-Modul und der Umgebung relevant. Sowohl der Modulneigungswinkel (Anströmwinkel) und die Windrichtung (Azimutwinkel) haben einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf den resultierenden Wärmeübergangskoeffi-zienten der erzwungenen Konvektion. Da im Rahmen einer Literaturrecherche keine für das PVT-Modul direkt zu übertragenden experimentelle Untersuchungen und Berechnungsgrundlagen zur Bestimmung des konvektiven Wärmeübergangs gefunden werden konnten, wurde mit Hilfe der Software ANSYS Fluent eine CFD-Simulation zum konvektiven Wärmeübergang am PVT-Modul durchgeführt, deren Ergebnisse in dieser Arbeit präsentiert werden. [less ▲]

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Peer Reviewed
See detailThermal Model of a Solar Hybrid Module as the Heat Source for a CO2 Heat Pump
Rullof, Johannes UL; Lambers, Klaus Jürgen; Blieske, Ulf et al

in Proceedings of 2017 International Energy and Sustainability Conference (IESC 2016) (2017)

In recent years, the possibility of combining photovoltaics (PV) and solar thermal collectors into one solar hybrid module (PVT-module) has been increasingly investigated. PVT-modules produce thermal and ... [more ▼]

In recent years, the possibility of combining photovoltaics (PV) and solar thermal collectors into one solar hybrid module (PVT-module) has been increasingly investigated. PVT-modules produce thermal and electrical energy at the same time. Since the efficiency of a photovoltaic module decreases with increasing temperature, the temperature of the heat transfer media is often limited to about 30 °C and the PVT-module is combined with a heat pump, which increases the temperature on the “warm side”. A common approach is to integrate the PVT-module directly as an evaporator in a heat pump system (PVT-direct). This paper presents a thermal model of a PVT-direct module as the heat source for a R744/CO2 heat pump. Due to the combined effect of flow channel patterns, solar radia-tion, the ambient conditions and possible condensation and frost formation, heat transfer and thermal distribution conditions of the PVT-direct evaporator are inevitably com-plicated to determine. The proposed thermal model of this hybrid solar module that has CO2 direct evaporation in microchannels will be used to simulate the behavior of the module under different climatic operating conditions. Fur-thermore, it will quantify all energy inputs and/or losses as well as their influence on the total energy supplied by the PVT-module. This will be used to investigate the overall CO2-PVT heat pump system performance in prospective simulations. [less ▲]

Detailed reference viewed: 69 (9 UL)
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Peer Reviewed
See detailEntwicklung einer Regelungsstrategie eines PVT-basierten Wärmepumpensystems auf der Basis von CO2 Direktverdampfung
Rullof, Johannes UL; Lambers, Klaus Jürgen; Blieske, Ulf et al

in Proceedings of Deutsche Kälte- und Klimatagung (DKV) (2017)

Bereits Ende der 1970iger Jahre wurden Wärmepumpen in Kombination mit glykolbasierten großflächigen kombinierten Strahlungs-Umweltwärme-Absorber als Verdampfer entwickelt, welche sich im Vergleich zu ... [more ▼]

Bereits Ende der 1970iger Jahre wurden Wärmepumpen in Kombination mit glykolbasierten großflächigen kombinierten Strahlungs-Umweltwärme-Absorber als Verdampfer entwickelt, welche sich im Vergleich zu zwangskonvektions-basierten Luft-Wärmepumpen nicht nur die Umgebungsenergie, sondern auch die Solar-energie als Energiequelle zu Nutze machen. Aufgrund der nach der Ölkrise fallenden Ölpreise, der meist noch nicht wirtschaftlichen Anlagentechnik und der benötigten großen Absorberflächen konnten sich diese Anlagen nicht durchsetzen. Durch die starke Reduzierung des Heizwärmebedarfs eines Neubaus werden heutzutage deutlich kleinere Absorberflächen in Kombination mit einer Wärmepumpe benötigt, was die Systemkombination aus Wärmepumpe und Absorber aktuell wieder interessant werden lässt. Vor allem die Kombination aus thermi-schem Absorber, basierend auf freier Konvektion und Strahlung, und Photovoltaik (PV) in einem Modul (PVT-Modul) kann aufgrund der Reduzierung des Heizwärmebedarfs von Gebäuden und des verstärkten Betriebs von Wärmepumpen während der solarstrombedingten Niedrigstrompreiszeiten am Tage und dem damit verbunde-nen höheren Strahlungsanteil der Umweltwärme zukünftig eine Alternative zu zwangskonvektions-basierten Luft-Wärmepumpen sein. Der Beitrag beschäftigt sich mit einem CO2-Wärmepumpensystem, bestehend aus einem neuartigen PVT-Modul, welches einen mikrokanal-basierten Verdampfer einer CO2-Wärmepumpe mit einem PV-Modul vereint (PVT-direkt). Um die Machbarkeit des neuartigen PVT-direkt-Wärmepumpensystems zu demonstrieren, wird im Rah-men eines Forschungsprojekts ein funktionsfähiges PVT-direkt-Modul konstruiert und schließlich als Teil eines CO2-Wärmepumpensystems getestet und modelliert. Die Leistung eines PVT-basierten Wärmepumpensystems ist stark von klimatischen Randbedingungen abhängig. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Entwicklung einer Regelungsstrategie eines PVT-basierten Wärmepumpensys-tems präsentiert, welche die Solarstrahlung, Umgebungstemperatur, Windgeschwindigkeit, Verdampfungstem-peratur und Verdichterleistung berücksichtigt. Zusätzlich werden die reale Antriebsleistung und der optimale Betriebspunkt des Verdichters einschließlich des optimalen Hochdruckes berücksichtigt. Die entwickelte Rege-lungsstrategie der PVT-basierten Wärmepumpe sieht verschiedene Betriebsmodi in Abhängigkeit von dem So-larstrahlungsangebot sowie der Umgebungstemperatur vor. Der Betrieb der Wärmepumpe erfolgt zwischen Deckung des Heizbedarfs in der Heizperiode und möglichst hoher Effizienz in Zeiten hoher Einstrahlungswerte und hoher Umgebungstemperaturen. [less ▲]

Detailed reference viewed: 87 (9 UL)
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See detailEntwicklung eines PVT-basierten CO2- Wärmepumpensystems
Rullof, Johannes UL; Lambers, Klaus Jürgen; Blieske, Ulf et al

in KI - Kälte Luft Klimatechnik (2017), 8-9

Die Kombination aus thermischen Absorber und Photovoltaik (PV) in einem Hybrid-Modul (PVT-Modul) vereint PV mit der (solarthermischen) Verdampfung des Kältemittels CO2 als Teilprozess einer Wärmepumpe und ... [more ▼]

Die Kombination aus thermischen Absorber und Photovoltaik (PV) in einem Hybrid-Modul (PVT-Modul) vereint PV mit der (solarthermischen) Verdampfung des Kältemittels CO2 als Teilprozess einer Wärmepumpe und kann zukünftig eine Alternative zu Luft-Wärmepumpen sein. Im Rahmen dieses Beitrags wird auf die Motivation und die Konstruktion eines funktionsfähigen PVT-Moduls eingegangen. [less ▲]

Detailed reference viewed: 57 (5 UL)
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Peer Reviewed
See detailExperimental studies on the development of a solar hybrid module with an aluminum microchannel evaporator
Rullof, Johannes UL; Lambers, Klaus Jürgen; Dick, Christian et al

in Proceedings of 2016 International Energy and Sustainability Conference (IESC 2016) (2016)

In recent years, the possibility to combine photovoltaics (PV) and solar thermal collectors into one hybrid module (PVT-module) has been increasingly investigated. PVT-modules produce thermal and ... [more ▼]

In recent years, the possibility to combine photovoltaics (PV) and solar thermal collectors into one hybrid module (PVT-module) has been increasingly investigated. PVT-modules produce thermal and electrical energy at the same time. As the efficiency of a photovoltaic module decreases with temperature, the temperature of the heat transfer media is often limited to about 30 °C and the PVT-module is combined with a heat pump, which increases the temperature on the “warm side”. This paper deals with a PVT-module, which combines a microchannel based evaporator of a CO2 (R744) heat pump with a PV panel (PVT-direct). The PVT-direct overall system is reduced to the refrigerant circuit due to the direct refrigerant expansion in the PVT-module. A conventional PVT heat pump system has an additional glycol-water circuit. Since a pump and an additional heat exchanger for the secondary cycle were omitted, the system has increased efficiency. Due to lower module temperatures, the increase of the photovoltaic efficiency is a further advantage of the PVT-direct-module. To prove the feasibility of the PVT-direct heat pump system, the Cologne Institute for Renewable Energy (CIRE) is developing and modeling a test facility for this purpose within the research project “PVT-direkt”. Furthermore, a functional PVT-direct-module with a microchannel based evaporator was designed and built. Much importance has been given to experimental studies under laboratory conditions in order to investigate (1) the adjustment of the functionality and layout of the PVT-direct-module for characterizing the joining of brazed joints in aluminum microchannel evaporators and (2) the influence of the backside aluminum plate of the PVT-direct-module regarding leakage currents and parasitic capacitances. The overall results obtained in these experimental studies are analyzed in this paper. [less ▲]

Detailed reference viewed: 88 (11 UL)
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See detailEntwicklung eines PVT-basierten Wärmepumpensystems auf der Basis von CO2 Direktverdampfung
Rullof, Johannes UL; Lambers, Klaus Jürgen; Hadji-Minaglou, Jean-Régis UL et al

in Proceedings of Deutsche Kälte- und Klimatagung (DKV) (2016)

Bereits Ende der 1970’iger Jahren wurden Wärmepumpen in Kombination mit glykolbasierten großflächigen Absorbern entwickelt, welche sich die Umgebungsenergie und Solarenergie als Energiequelle zu Nutze ... [more ▼]

Bereits Ende der 1970’iger Jahren wurden Wärmepumpen in Kombination mit glykolbasierten großflächigen Absorbern entwickelt, welche sich die Umgebungsenergie und Solarenergie als Energiequelle zu Nutze machen. Aufgrund der nach der Ölkrise fallenden Ölpreise, der meist noch nicht wirtschaftlichen Anlagentechnik und den benötigten großen Absorberflächen, konnten sich diese Anlagen nicht durchsetzen. Durch die starke Reduzierung des Heizwärmebedarfs eines heutigen Neubaus werden heutzutage deutlich kleinere Absorberflächen in Kombination mit einer Wärmepumpe benötigt, was die Systemkombination aus Wärmepumpe und Absorber aktuell wieder interessant werden lässt. Vor allem die Kombination aus thermischen Absorber, basierend auf freier Konvektion und Strahlung, und Photovoltaik (PV) in einem Modul (PVT-Modul) kann aufgrund der Reduzierung des Heizwärmebedarfs von Gebäuden und des verstärkten Betriebs von Wärmepumpen während der Niedrigstrompreiszeiten am Tage und dem damit verbundenen höheren Strahlungsanteil der Umweltwärme zukünftig eine Alternative zu zwangskonvektions-basierten Luft-Wärmepumpen sein. Im Rahmen dieser Arbeit wird auf die Konstruktion eines funktionsfähigen PVT-direkt Moduls eingegangen, welches einen mikrokanalbasierten Verdampfer einer transkritischen CO2-Wärmepumpe mit einem PV-Modul kombiniert. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein thermisches Modell des PVT-direkt Moduls hergeleitet, welches in zukünftigen Untersuchungen Anwendung findet, um eine Aussage über die PV-seitige Wirkungsgradsteigerung durch niedrigere Modultemperaturen aufgrund der Kältemittelverdampfung an der Modulrückseite treffen zu können. Der zweite Teil dieser Arbeit präsentiert die Auslegung zweier Verdampfer-Designvarianten (Mäander und Harfendesign) und eine Temperaturverteilungsanalyse. Bei beiden Konzepten fällt die Temperaturverteilung annähernd homogen aus. [less ▲]

Detailed reference viewed: 96 (5 UL)
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See detailConstructive design of an aluminum microchannel evaporator for a solar hybrid module
Schneider, Lars Marvin; Rullof, Johannes UL

Poster (2016)

This poster summarizes the findings of the scientific report with the following content: As part of the PVT-direkt project, a constructive evaporator design was developed. First, the findings of the ... [more ▼]

This poster summarizes the findings of the scientific report with the following content: As part of the PVT-direkt project, a constructive evaporator design was developed. First, the findings of the current project, the necessary manufacturing fundamentals and the problem of lubricating oil return are presented. Designing the aluminum evaporator was based on a comprehensive three-phase structure. This is first aimed at identifying relevant material properties and their availability. A thorough literature review was carried out to evaluate the findings with respect to the refrigerant distribution and the oil recirculation. Following a constructive evaporator design was developed with respect to the identified standard temperature drop caused by pressure losses to ensure the oil return in comparable evaporator concepts. From the results of a simulation of the evaporation process, the temperature distribution was analyzed in connection with the created design model. Due to the complexity of simulating the refrigerant distribution, this simulation was not carried out – only their general influence is involved. All of this resulted in two evaporator concepts - a harp and a meander model – which were ultimately evaluated and converted into manufacturing drawings. Therefore, this document provides the manufacturing specifications for the prototype to be produced. [less ▲]

Detailed reference viewed: 24 (1 UL)
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See detailEvaluation of a CFD-Simulation approach for modelling CO2 evaporation in microchannels in Ansys Fluent using a mixture-model
Dvorak, Tom; Mazitzis, Nikolaos; Cousin, René et al

Poster (2016)

Microchannels shall be used for evaporation of CO2 in a heat-pump cycle of a hybrid PV-module with direct heat recovery (PVT-direct). In order to predict the required tube length and the expected pressure ... [more ▼]

Microchannels shall be used for evaporation of CO2 in a heat-pump cycle of a hybrid PV-module with direct heat recovery (PVT-direct). In order to predict the required tube length and the expected pressure losses of the microchannel evaporator, a CFD simulation model was implemented and evaluated. The simulation shall finally help finding the adequate size of the evaporator and optimize its geometry. For the simulation the software “Fluent” was chosen using the two phase mixture-model including the Lee-model for evaporation. As the tubes in the microchannel system represent an axis-symmetric setup, a 2D-geometry is sufficiently suitable for the model and its mesh. After an initial testing of the mixture model, it could be seen that the conservation of mass and energy were not correctly calculated with the advised standard set of parameters, neither the phase change mechanism with its characteristic latent heat. In order to get reasonable results with the mixture model, the input parameters of the evaporation rate and the bubble diameter were systematically varied and validated by manual calculation based on experimental data published in the standard literature. To further improve the numerical quality and stability of the simulation, solver parameters were changed. The adjustment of discretization schemes and the under-relaxation factors were most successful. The effect of different boundary conditions for solar radiation and convective heat on the relevant evaporator surface was also investigated. The test simulations showed that the mixture model is appropriate for a low vapor volume fraction but maybe reaches its limits at higher vapor volume fractions as the flow regime changes. It needs more investigation to prove if drop-evaporation will be sufficiently represented by the chosen model. Consequently, the modelling approach must be optimized and validated for the relevant volume vapor fraction of up to 95 Vol %. This will be the task for the future. And also completely different model approaches have to be considered. [less ▲]

Detailed reference viewed: 159 (0 UL)
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See detailExperimental studies of the technical feasibility of a lamination process for PVT-direct modules
Hilger, Lukas; Roßbach, Nils; Wirth, Florian et al

Poster (2016)

The PVT-direct module covers the technical connection of solar PV technology and solarthermal systems. The structure is similar to conventional PV modules apart from the backsheet which is replaced by an ... [more ▼]

The PVT-direct module covers the technical connection of solar PV technology and solarthermal systems. The structure is similar to conventional PV modules apart from the backsheet which is replaced by an aluminum backside plate. Along with compressor, gas cooler for heat rejection and expansion valve the PVT-direct module acts as an evaporator in a heat-pump cycle. The module is characterized by a direct CO2 evaporation in small microchannels which are brazed on the aluminum backside plate. The combination of both photovoltaic and thermal components in one module leads to high demands in terms of the choice of materials and the production process itself. In this context, further investigations on the technical feasibility of a lamination process for solar PVT-direct modules are necessary in order to guarantee an intended market maturity. The development of a suitable lamination process and its parameters form the major part of this work. The lamination schedule depends on the performance and structure of the used encapsulating material as well as the laminator itself. The lamination process is adjusted through experimental studies until satisfactory results are achieved. It can be characterized by the maximum lamination temperature and the total process time along with the heating/cooling ramp. The additional aluminum backside plate including headers and microchannels can have a significant impact on the PVT-direct module during lamination process. Therefore, measurement methods which indicate the state of the module after the lamination are required. On the one hand, the quality of the adhesion between the different parts of the module is an important factor for long-term resistance of the system. The cross linking of the encapsulating material and of the adhesion layer is verified by DSC-Measuring. On the other hand - due to a changed design of the PVT direct module and mechanical stress distribution during the lamination process - the mechanical condition of the cells inside of the laminate is checked. This can be evaluated by Electroluminescence-Measuring in order to ensure the absence of cracks and fraction of the PV-cells. Current tasks involve the distortion of the laminated modules due to different thermal expansion coefficients of glass and aluminum as well as the occurrence of blisters in the laminate. These issues and the lamination of a module in standard measures will be addressed in the ongoing process of the project. [less ▲]

Detailed reference viewed: 29 (2 UL)