DE3419797A1

DE3419797A1 - Solar-energiewandler

Info

Publication number: DE3419797A1
Application number: DE19843419797
Authority: DE
Inventors: Willi Dipl.-Ing. Pschunder (FH), 7129 Ilsfeld
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1984-05-26
Filing date: 1984-05-26
Publication date: 1985-11-28

Description

Solar- Energiewandler
Die Erfindung betrifft einen Solar- Energiewandler zur gleichzeitigen Umwandlung von Strahlungseneraie in elektrische- und in Wärme- Energie, aus einem ei wärmeleitendes Medium führenden Absorber, der mit photovoltaischen Solarzellen kombiniert ist.
Photovoltaische Solarzellen zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie können aus unterschiedlichsten Halbleitermaterialien hergestellt werden. Diese beispielsweise aus einkristallinem oder polykristallinem Silicium bestehenden Bauelemente mit einem pn-Übergang weisen einen Wirkungsgrad auf, der im wesentlichen materialabhängig ist. Bis vor kurzem wurden nur Zellen mit einer ganzflächig metallisierten Rückseite und einer gitter- oder fingerförmig metallisierten Vorderseite verwendet. In jüngster Zeit wurden Solarzellen vorgeschlagen, bei denen der Rückseitenkontakt ebenfalls gitter- oder fingerförmig ausgebildet und dadurch strahlungsdurchlässig ist. Solarzellen dieser Ausführungsform haben den Vorteil, daß Lichtstrahlung nicht nur von der Vorderseite der Zellen, sondern auch von der Rückseite in die Solarzelle eindringen kann. Auf diese Weise ist es möglich, Streulicht oder reflektiertes Licht über die Rückseite der Solarzelle auszunutzen. Eine Solarzelle mit einem durchbrochenen Rückseitenkontakt hat ferner den Vorteil, daß die im Halbleiterkörper nicht absorbierte Strahlungsenergie durch die Rückseite der Solarzelle wieder austritt und so nicht zu einer den Wirkungsgrad vermindernden Erwärmung der Zelle führt.
Andererseits sind für die Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme seit längerer Zeit sogenannte Solarkollektoren bekannt. Hierbei wird die Eigenschaft verschiedenster Materialien ausgenutzt, die Sonnenstrahlung absorbieren und dadurch erwärmen. Der Wärmekollektor wird vorzugsweise mit Glas oder anderen Materialien abgedeckt, um zu verhindern, daß das durch die Sonnenstrahlung erwärmte Material wieder Wärme durch Strahlung oder Konvektion an die Umgebung abgibt. Die so gewonnene Wärmeenergie wird entweder durch Luft oder ein anderes wärmeleitendes Medium, wie Wasser oder Glykol, zur Erwärmung von Brauchwasser oder Schwimmbädern bzw. zur Beheizung von Gebäuden verwendet.
In jüngster Zeit wurde vorgeschlagen, unmittelbar auf die Absorberfläche - bei entsprechender wärmeleitender Ankopplung - photovoltaische Solarzellen aufzubringen.
Hierdurch wird erreicht, daß die in der Solarzelle absorbierte und nicht in elektrischen Strom umgewandelte Energie in Form von Wärme an den Kollektor abgegeben wird. Es liegt somit ein Sonnenenergiewandler vor, der sowohl elektrischen Strom als auch Wärme erzeugt. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Solarzellen im wesentlichen die Temperatur der Absorberfläche annehmen, wodurch der Wirkungsgrad für die Energieumwandlung in Strom erheblich reduziert wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Solarenergiewandler anzugeben, bei dem die Sonnenenergie sowohl zur Erzeugung von elektrischer Energie a.s auch von Wärmeenergie ausgenutzt wird, wobei jedoch die photovoltaischen Solarzellen mit einem optimalen Wirkungsgrad arbeiten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Solarenergiewandler der eingangs erwähnten Art die für Wärmestrahlung durchlässigen Solarzellen an einer Trägerplatte befestigt sind, die derart vom Absorber getrennt ist, daß zwischen den Solarzellen und dem Absorber keine oder nur eine unwesentliche Wärmeleitung besteht. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Solarzellen eine möglicl;st niedrige und der Absorber eine möglichst nohe Temperatur annimmt. Beide, der Energieumwandlung dienerlen Teile des Energiewandlers arbeiten dann mit ihrem höchstmöglichen Wirkungsgrad.
Zwischen der Trägerplatte, die die Solarzellen aufnimmt oder enthält, und dem Absorber ist vorzugsweise ein Hohlraum angeordnet, der mit Luft oder Vakuum gefüllt ist, und so die Isolation zwischen den photovoltaischen Solarzellen und dem Absorber vornimmt. Der Abstand zwischen den Solarzellen und dem Absorber beträgt vorzugsweise mehrere Centimeter.
Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung wird nachfolgend noch anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die Figur 1 zeigt den Solar- Energiewandler nach der Erfindung.
In Figur 2 ist eine Abwandlung dieses Solarenergiewandlers dargestellt, bei der die Trägerplatte für die Solarzellen aus einem Verbundglas besteht, in das die Solarzellen eingebettet sind.
Der Solarenergiewandler (1) nach Figur 1 besteht aus einer rahmen- oder kastenförmigen Tragkonstruktion (10), in der der Absorber (5) untergebracht ist. Diese Tragkonstruktion (10) weist eine Deckplatte (2) auf, die beispielsweise aus Glas besteht und an deren der Absorber zugewandten Oberflächenseite die photovoltaischen Solarzellen (3) befestigt sind. Die Solarzellen (3) bestehen beispielsweise aus einkristallinem oder aus polykristallinem Silicium, die an ihren aneinander gegenüberliegenden Oberflächenseiten mit durchbrochenen Kontaktierungstrukturen versehen sind. Diese Kontaktierungsstrukturen sind beispielsweise kamm- oder fingerförmig, so daß ein Großteil der Ultrarot-Wärmestrahlung die Solarzellen (3) durchdringen und den Absorber (5) erwärmen kann. Die Kontakte an den Solarzellen sind miteinander verschaltet, wobei sowohl eine Parallelschaltung als auch eine Hintereinanderschaltung der Solarzellen möglich ist, je nachdem, welche Strom- bzw. Spannungsverhältnisse am Ausgang des Solarmoduls gewünscht werden.
Die Verschaltung der Solarzellen untereinander erfolgt beispielsweise mit Hilfe der üblichen bandförmigen Verbinder oder über ein Leitbahnsystem, das auf der Glasplatte im Bereich der Zwischenräume zwischen den einzelnen Solarzellen angeordnet und mit den Anschlußkontakten der einzelnen Zellen elektrisch leitend verbunden ist.
Die Solarzellen (3) können beispielsweise mittels eines Infrarotlicht durchlässigen Klebers an der Glasplatte (2) befestigt werden. Die kastenförmige Tragkonstruktion (10) enthält ferner den Absorber (5), der aus Kunststoff oder Metall bestehen kann und über seinen ganzen Querschnitt ein vorzugsweise mäanderförmig gelegte Rohr(6) für den Durchfluß des wärmeführenden Mediums enthält.
Diese wärmeführende Medium kann aus Wasser, aus Wasser-Alkoholgemischen oder beispielsweise aus Glykol bestehen. Der Absorber kann auch aus einem flachen Metall-oder Kunststoffkasten bestehen, der durch ianenliegende Trennwände so aufgeteilt ist, daß ein den Absorber durchfließendes wärmeleitendes Medium diese manderförmig durchfließt und somit die eingestrahlte Wärme aufnimmt.
Zwischen dem Absorber (5) und den Solarzellen (3) befindet sich ein Hohlraum (4), der mit Luft oder Vakuum gefüllt ist und so eine Wärmeisolation zwischen den Solarzellen (3) und dem Absorber bewirkt. Die Ultrarotstrahlung durchdringt die Glasplatte (2), die Solarzellen (3) und den Hohlraum (4) und erwärmt das den Absorber durchfließende wärmeleitende Medium, ohne daß die photovoltaischen Solarzellen (3) die Temperatur des Absorbers annehmen. Der Abstand (a) zwischen den Solarzellen und der Absorberfläche beträgt einige cm, beispielsweise 5 cm. Die Rückseite des Absorbers, die den Solarzellen abgewandt ist, wird vorzugsweise zur Vermeidung von Wärmeverlusten isoliert, wobei als Isoliermaterial beispielsweise Glaswolle verwendet werden kann.
Die Anordnung nach Figur 2 unterscheidet sich von der der Figur 1 dadurch, daß die Trägerplatte (2) aus einem Verbundglas besteht, in das die Solarzellen (3) eingebettet sind. Hierzu besteht die oberste Platte (2) aus Glas, auf die eine erste Kunststoff-Folie (8), beispielsweise aus im Handel unter dem Namen PVB erhältlichem Material aufgebracht ist. Auf diese Folie werden die Solarzellen (3), die elektrisch leitend miteinander verbunden sind, aufgebracht. Schließlich werd die Solarzellen (3) mit einer weiteren Folie (9) abgedeckt, die vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Folie (8) besteht. Nach diesem Schichtaufbau wird das Gesamtsystem erwärmt, so daß das Folienmaterial in die Hohlräume zwischen den Solarzellen (3) fließt, so da;3 diese dicht in das Xerbundglassystem eingebettet werden F, besteht auch die Möglichkeit, die Solarzellen an der Innenseite von für Licht- und Wärmestrahlung durchlässigen Ziegeln anzubringen, die im Abstand über einem Absorber angeordnet sind. Die Solarzellen können in derartigen Ziegeln auch eingebettet werden. Ferner ist eine Ausführungsform vorstellbar, bei der die rahmenförmige oder kastenförmige Tragkonstruktion (10) gemäß Figur 1 die Form eines Dachziegels hat, so daß sie mit weiteren gleichartigen Ziegelbausteinen für eine teilweise oder vollflächige Gebäudeindeckung verwendet werden konnen.
Die Tragkonstruktion wird dann in den Randbereichen mit Falzen oder Nuten versehen sein, die für den Eingriff in entsprechende Nuten oder Falze auf benachbarten Ziegeleinheiten geeignet sind.
Die mit den beschriebenen Ausführungsformen gewonnene elektrische Energie und Wärmeenergie kann auf die bisher übliche Art und Weise genutzt werden. Eine wirtschaftliche Anwendung läßt sich insbesondere in sonnenreichen Regionen erzielen und dort, wo ein Stromversorgungsnetz oder eine einfachere Versorgung mit fossilen Brennstoffen fehlt und nur schwer herbeizuführen ist.

Claims

Patenansprüche 1) Solar- Energiewandler zur gleichzeitigen Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische- und in Wärme-Energie aus einem ein wärmeleitendes Medium führenden Absorber (5), der mit photovoltaischen Solarzellen (3) kombiniert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die für Wärmestrahlung durchlässigen Solarzellen (3) an einer Trägerplatte (2) befestigt sind, die derart vom Absorber (5) getrennt ist, daß zwischen den Solarzellen (3) und dem Absorber (5) keine oder nur eine unwesentliche Wärmeleitung besteht.
2) Solar- Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Trägerplatte für die Solarzellen und dem Absorber ein Luft- oder Vakuum- gefüllter Hohlraum (4) vorgesehen ist.
3) Solar- Energiewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den mit der Trägerplatte (2) verbundenen Solarzellen (3) und dem Absorber (5) mehrere cm beträgt.
4) Solar- Energiewandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine rahmen- oder kastenförmige Tragkonstruktion (10) vorgesehen ist, deren Deckplatte von den mit den Solarzellen (3) verbundenen Trägerplatte (2) gebildet wird, daß im Abstand (a) von den Solarzellen (3) ein Absorber (5) angeordnet ist, der auf der den Solarzellen abgewandten Oberfläche mit einem wärmeisolierenden Material (7) bedeckt ist.
5) Solar- Energiewandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (2) aus Glas besteht, an deren dem Absorber zugewandten Seite die Solarzellen (3j befestigt sind.
6) Solar- Energiewandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellen (3) an der Trägerplatte (2) mit einem Infrarotlicht- durchlässigen Kleber befestigt sind.
7) Solar- Energiewandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte aus einem Verbundglas besteht, in das die Solarzellen eingebettet sind.
8) Solar- Energiewandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellen auf beiden Oberflächenseiten mit durchbrochenen kammförmigen oder fingerförmigen Kontakten versehen sind.