AT412170B

AT412170B - Solar-kollektor

Info

Publication number: AT412170B
Application number: AT0028701A
Authority: AT
Original assignee: Vaillant Gmbh
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2004-10-25
Also published as: ATA2872001A; DE10207852A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Solar-Kollektor gemäss den Oberbegriffen der unabhängi- gen Ansprüche.

Bei bekannten Solarkollektoren wird entweder Energie solarthermisch oder photovoltaisch ge- nutzt. Einige Schutzrechtsanmeldungen sehen eine Kombination vor. So werden in DE 29814206 A1, DE 19837161 A1 und DE 2755219 A1 jeweils eine Kombination eines Photovol- taik- und Warmwasserkollektors nebeneinander in einer Einheit beschrieben. Diese Erfindungen haben jedoch keine wesentlichen Vorteile gegenüber zwei getrennten Systemen, da beide Subsys- teme jeweils eigene Kollektorflächen benötigen und sich nicht gegenseitig positiv beeinflussen.

DE 19816294 A1 beschreibt eine kombinierte Einheit von Solarkollektoren mit Photovoltaik, bei der das Sicherheitsglas des Sonnenkollektors durch transparente Photovoltaik-Elemente ersetzt wird; der Aufbau eines solchen transparenten Photovoltaik-Elements ist dabei nicht beschrieben; solche Elemente sind nicht marktgängig.

Photovoltaikzellen gemäss des Standes der Technik besitzen die Eigenschaft, dass der elektri- sche Wirkungsgrad bei Erhöhung der Temperatur der lichtzugewandten Seite des Kollektors ab- nimmt. Dies hat zur Folge, dass bei starker Sonneneinstrahlung zwar viel Solarenergie zur Verfü- gung steht, der Wirkungsgrad des Kollektors aufgrund der hohen Kollektortemperatur jedoch gering ist. Umgekehrt ist bei niedriger Sonneneinstrahlung der Wirkungsgrad aufgrund der relativ geringen Temperatur zwar hoch, die absolute Energieausbeute jedoch niedrig.

Aus der CH 681 053 A5 ist ein Solar-Kollektor bekannt, bei dem ein Photovoltaik-Element von einer Kühlflüssigkeit gekühlt wird. Auch aus der DE 198 09 883 A1 und DE 42 22 806 A1 geht eine Kombination von Photovoltaik und Solarthermie hervor. Hierbei ist jedoch nur bekannt, dass das Kühlmittel sich auf der der Sonne abgewandten Seite befindet. Ferner ist es Stand der Technik, dass Wasser, also ein Strom leitendes Medium, zur Kühlung verwendet wird.

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und gleichzeitig Solarenergie solarthermisch und photovoltaisch bei hohen Teil- und Gesamtwirkungsgraden zu nutzen.

Erfindungsgemäss wird dies bei einem Solarkollektor der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche erreicht.

Durch die vorgeschlagenen Massnahmen wird der elektrische Wirkungsgrad durch die Kühlung der Photovoltaik-Elemente erhöht und gleichzeitig ein erheblicher Anteil der restlichen Solarenergie thermisch genutzt.

Ausserdem ergibt sich auch der Vorteil, dass die Photovoltaik-Elemente aufgrund der höheren Energiedichte bei gleicher Energiemenge eine geringere Fläche benötigen als konventionelle Photovoltaik-Elemente, wodurch nicht nur der Materialverbrauch, sondern auch die Kosten redu- ziert werden.

Durch die Merkmale des Anspruches 1 ergibt sich der Vorteil, dass zunächst die exergetisch wertvollere Energie Strom mit hohem Wirkungsgrad erzeugt wird, ehe aus der restlichen Solar- energie thermische Energie genutzt wird (vgl. Fig. 1).

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, dass auf eine elektrische Isolie- rung zwischen den Elektroden und dem Absorber verzichtet kann, wenn der Absorber von einem elektrisch nicht leitenden Medium durchströmt wird.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil einer direkten Kühlung der licht- zugewandten Seite der photovoltaischen Elemente (vgl. Fig. 2).

Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 3 sind der thermische Absorber und die photovoltai- schen Elemente voneinander elektrisch isoliert, um einen elektrischen Kurzschluss zu vermeiden.

Auch wenn ein nicht elektrisch leitendes Medium den Absorber durchströmt, so könnten beispiels- weise Schmutzteilchen einen Kurzschluss erzeugen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 4 ergibt sich der Vorteil, dass durch ein flüssiges Kühlme- dium ein guter Wärmeübergang stattfinden kann.

Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 5 kann der Absorber z. B. auch unmittelbar Wärme für eine Luftheizung aufnehmen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 6 ergibt sich der Vorteil, dass - vorzugsweise wenn keine thermische Energie benötigt wird - thermische Energie abgeführt werden kann und somit der Kollektor gekühlt wird, was den elektrischen Wirkungsgrad der photovoltaischen Elemente erhöht.

Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 7 wird Energie zur Kühlung des Kollektors von den

Photovoltaik-Elementen bezogen. Da der Wirkungsgrad eines gekühlten Photovoltaik-Elements grösser ist als das eines ungekühlten, wird der erhöhte Eigenenergiebedarf im Idealfall durch die erhöhte Stromproduktion nicht nur kompensiert, sondern sogar übertroffen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 8 ergibt sich der Vorteil, dass eine Kühlung auch über das flüssige Kühlmedium in Verbindung mit einem Wärmeübertrager und gegebenenfalls einem Geblä- se zur Umgebung erfolgen kann.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen die Fig. 1 und 2 schematisch zwei verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemässen Solarkollektors. Die Fig. 3 und 4 zeigen vorteilhafte Varianten der Ausführungsform aus Fig. 1.

Ein erfindungsgemässer Solarkollektor 3 gemäss Fig. 1 verfügt über eine transparente Glas- scheibe 15 auf der Kollektoroberseite 14. Darunter befindet sich ein Hohlraum 20 und wiederum parallel zu der Glasscheibe 15 ein Photovoltaikelement 19, das aus einer Siliziumscheibe 1 und Elektroden 2 auf einer dem Licht 21 zugewandten Seite 22 sowie Elektroden 4 auf der lichtabge- wandten Seite 23 besteht. Die Elektroden 2 und 4 verfügen über einen elektrischen Anschluss 6.

Die Siliziumscheibe 1 und die Elektroden 4 sind durch eine elektrische Isolierung 7, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, von einem thermischen Absorber 8 getrennt. Dieser Absorber 8 ver- fügt über einen Einlauf 9 und einen Auslauf 10, die über ein Leitungssystem 24, einen Wärmeü- bertrager 12 und eine Kühlmittelpumpe 11 einen Kreislauf bilden.

Sonnenstrahlen des Lichtes 21 gelangen durch die transparente Glasscheibe 15 auf das Pho- tovoltaikelement 19. Zwischen den Elektroden 2 auf der lichtzugewandten Seite 22 sowie den Elektroden 4 auf der lichtabgewandten Seite 23 wird hierdurch eine Spannung, die an dem elektri- schen Anschluss 6 abgegriffen werden kann, induziert. Der Absorber 8 wird von einem Kühlmittel durchströmt. Das Kühlmittel wird in einem Kreislauf von der Kühlmittelpumpe 11gefördert, gelangt durch den Einlauf 9 in den Absorber 8 und aus dem Auslauf 10 aus diesem heraus. Der Absorber 8 nimmt thermische Energie auf, die durch die Strahlungswärme der Sonnenstrahlen am Photovol- taikelement 19 entsteht. Die Kühlmittelpumpe 11 fördert das erwärmte Kühlmedium vom Absorber 8 zu dem Wärmeaustauscher 12, in dem die Wärme an einen Heizkreislauf 13 abgegeben wird.

Bei diesem Vorgang wird das Photovoltaikelement 19 gekühlt, wodurch der elektrische Wirkungs- grad des Photovoltaikelements 19 steigt. Der Solarkollektor 3 ist allseitig - bis auf die dem Licht 21 zugewandte Seite 22 - mit einer Dämmschicht 16 versehen.

Bei der Ausführungsform eines Solarkollektors 5 nach der Fig. 2 wird das Photovoltaikelement 19 aus der Siliziumscheibe 1 und den Elektroden 2 auf der lichtzugewandten Seite 22 sowie den Elektroden 4 auf der lichtabgewandten Seite 23 luftgekühlt. Der Solarkollektor 5 verfügt über die Glasscheibe 15, die einen Absorberraum 18 zur Umgebung abgrenzt, auf der lichtzugewandten Seite 22. Das Photovoltaikelement 19 ist parallel zu der Glasscheibe 15 im Abstand ausgerichtet.

Glasscheibe 15, Photovoltaikelement 19 sowie die gedämmten Seitenwände 16 bilden den Absor- berraum 18. Ein Gebläse 17 fördert die Luft für eine nicht dargestellte Luftheizung durch den Solarkollektor 5, wobei sich die Luft im Absorber 18 zwischen Glasscheibe 15 und Photovoltaik- element 19 aufheizt. Auch hierdurch wird das Photovoltaikelement 19 gekühlt, der elektrische Wirkungsgrad gesteigert und gleichzeitig thermische Energie genutzt.

Das Photovoltaikelement 19 dient dem Erzeugen elektrischer Energie und der Absorber 18 bzw. 8 zur Erzeugung thermischer Energie.

Bei der Ausführungsform eines Solarkollektors 3 nach der Fig. 3 ist der Hohlraum 20 zwischen der Glasscheibe 15 und dem Photovoltaikelement 19 zwischen einer Zuleitung 36 und einer Abfüh- rung 27 gelegen. Die Abführung 27 führt zu einem Ventil 28, die Zuleitung 36 zu einem Gebläse 17, das über einen Motor 25 verfügt. Der Motor 25 ist über eine elektrische Verbindung 26 mit dem elektrischen Anschluss 6 des Photovoltaikelements 19 und der Schaltleitung 35 mit einer Regelung 32 verbunden. Die Regelung 32 steht über eine Datenleitung 33 in Kontakt zu einem Temperatur- fühler 31, dessen Messspitze 37 sich im Hohlraum 20 zwischen der Glasscheibe 15 und dem Pho- tovoltaikelement 19 befindet. Die Regelung 32 steht ferner über eine Datenleitung 39 in Kontakt zu einem Antrieb 38 des Ventils 28.

Der Antrieb 38 ist über eine elektrische Verbindung 40 mit dem elektrischen Anschluss 6 des Photovoltaikelements 19 verbunden.

Der Temperaturfühler 31 misst die Temperatur im Hohlraum 20 zwischen der Glasscheibe 15 und dem Photovoltaikelement 19 und gibt den Messwert über die Datenleitung 33 an die Regelung 32 weiter. In der Regelung 32 ist ein Schaltwert gespeichert. Überschreitet die Temperatur im

Hohlraum 20 diesen Schaltwert, so gibt die Regelung 32 über die Datenleitung 35 ein Signal zum Starten des Motor 25 des Gebläses 17 und über die Datenleitung 39 zum Öffnen des Ventils 28 über dessen Antrieb 38. Motor 25 und Antrieb 38 werden vom Photovoltaikelement 19 mit Strom versorgt. Über das Gebläse 17 und die Zuleitung 36 wird Frischluft aus der Umgebung in den Hohlraum 20 zwischen der Glasscheibe 15 und dem Photovoltaikelement 19 geleitet. Über die Abführung 27 und das geöffnete Ventil 28 kann erhitze Luft aus dem Hohlraum 20 in die Umge- bung entweichen.

Somit wird das Photovoltaikelement 19 gekühlt, wodurch dessen elektrischer Wirkungsgrad steigt. Hierdurch kann das Photovoltaikelement auch dann mit hohem elektrischen Wirkungsgrad betrieben werden, wenn an dem Wärmetauscher 12 keine Wärme abgenommen wird.

In Fig. 4 ist eine Kühlung des Heizkreislaufs dargestellt. Im Leitungssystem 24 befindet sich ein zusätzlicher Wärmetauscher 29, der sekundärseitig an eine Luftleitung 30 angeschlossen ist. In dieser Luftleitung befindet sich ein Gebläse 17, das über einen Motor 25 verfügt. Dieser Motor ist über eine Datenleitung 34 mit einer Regelung 32 und eine elektrische Verbindung 26 mit dem elektrischen Anschluss 6 des Photovoltaikelements 19 verbunden. Wie in Fig. 3 ist im Hohlraum 20 ein Temperaturfühler 31 mit Messspitze 37 angeordnet, der über die Datenleitung 33 mit der Rege- lung verbunden ist.

Soll Wärme aus dem System abgeführt werden, was durch eine bestimmte Mindesttemperatur des Temperaturfühlers 31 vorgegeben wird, so gibt die Regelung 32 das Signal zum Starten des Gebläses 17, das Luft durch den Wärmetauscher 29 fördert und dabei Wärme aufnimmt und anschliessend über die Luftleitung 30 an die Umgebung abgibt. Damit Wärme aus dem Solarkollek- tor 3 abgeführt werden kann, muss die Kühlmittelpumpe 11 das Kühlmedium fördern.

PATENTANSPRÜCHE:
1. Solar-Kollektor (3) mit einem auf einer dem Licht (21) zugewandten Seite (22) des Solar-
Kollektors (3) angeordneten Photovoltaikelement (19) zur Gewinnung von elektrischer
Energie, vorzugsweise abgedeckt durch eine Glasscheibe (15) und einem thermischen
Absorber (8) zur Gewinnung thermischer Energie, der sich auf der dem Licht (21) abge- wandten Seite (23) des Solar-Kollektor (3) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Absorber (8) von einem elektrisch nicht leitenden Mittel, z. B. Luft, gekühlt wird.

2. Solar-Kollektor (5) mit einem Photovoltaikelement (19) zur Gewinnung von elektrischer
Energie, angeordnet auf einer dem Licht (21) abgewandten Seite (22) des Solar-Kollektors (5) und abgedeckt vorzugsweise durch eine Glasscheibe (15) und einem thermischen Ab- sorber (18) zur Gewinnung thermischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass der ther- mische Absorber (18) sich auf der dem Licht (21) zugewandten Seite (22) des Solar-
Kollektors (5) befindet.

Claims

3. Solar-Kollektor (3,5) mit einem Photovoltaikelement (19) zur Gewinnung von elektrischer Energie und einem thermischen Absorber (18) zur Gewinnung thermischer Energie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaischen Elemente (19) und der thermischen Absorbers (8,18) durch eine elektrische Isolierung (7) voneinander getrennt sind.

4. Solar-Kollektor (3) mit einem Photovoltaikelement (19) zur Gewinnung von elektrischer Energie und einem thermischen Absorber (8) zur Gewinnung thermischer Energie nach ei- nem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Absorber (8) von einem flüssigen Medium durchströmt wird.

5. Solar-Kollektor (3,5) mit einem Photovoltaikelement (19) zur Gewinnung von elektrischer Energie und einem thermischen Absorber (8,18) zur Gewinnung thermischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet dass der thermische Absor- ber (8,18) von einem gasförmigen Medium durchströmt wird.

6. Solar-Kollektor (3,5) mit einem Photovoltaikelement (19) zur Gewinnung von elektrischer Energie und einem thermischen Absorber (8,18) zur Gewinnung thermischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet dass der Raum zwischen Glasscheibe (15) und photovoltaischem Element (19) mittels Gebläse (17) mit Kühlluft <Desc/Clms Page number 4> zwangsdurchströmt werden kann.

7. Solar-Kollektor (3,5) mit einem Photovoltaikelement (19) zur Gewinnung von elektrischer Energie und einem thermischen Absorber (8,18) zur Gewinnung thermischer Energie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (25) eines Gebläse (17) zur Zwangsdurchströmung an die Elektroden (6) des Photovoltaikelements (19) angeschlos- sen ist.

8. Solar-Kollektor (3,5) mit einem Photovoltaikelement (19) zur Gewinnung von elektrischer Energie und einem thermischen Absorber (8,18) zur Gewinnung thermischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme aus dem Ab- sorber (8) zum Zwecke der Kühlung des Solar-Kollektors (3,5) vorzugsweise über ein Ge- bläse (17) und einen Wärmeaustauscher (29) im Leitungssystem (24) an die Umgebung abgegeben werden kann.

HIEZU 4 BLATT ZEICHNUNGEN