DE69917512T2

DE69917512T2 - Kombination von Sonnenkollektor und photovoltaischen Zellen

Info

Publication number: DE69917512T2
Application number: DE69917512T
Authority: DE
Inventors: John C Hollick
Original assignee: Hollick John C Maple
Current assignee: Hollick John C Maple
Priority date: 1998-02-25
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2019-02-11
Also published as: EP0940859A3; CA2230471A1; JP4589470B2; EP0940859B1; CA2230471C; DE69917512D1; ATE268055T1; ES2221309T3; JPH11317540A; DK0940859T3; EP0940859A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Kombination eines Sonnenkollektors und photovoltaischer Zellen und beschäftigt sich insbesondere mit einer Anordnung, mit welcher ein Überhitzen der photovoltaischen Zellen verhindert wird.
Photovoltaische Platten sind in der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie im Allgemeinen nur zu 5 bis 15% effizient. Ein Großteil der restlichen Energie geht als Wärmeenergie verloren.
Die Kombination von photovoltaischen Zellen mit Sonnenkollektoren ist bereits bekannt, um dadurch die Sonnenenergie sowohl für Wärme- als auch elektrische Energie einzusetzen. Die photovoltaischen Zellen werden gewöhnlich an passend großen flachen Abschnitten der Rippen befestigt und mit Hilfe herkömmlicher Befestigungsmittel festgehalten. Im Fall von besonders heißem Wetter mit Umgebungstemperaturen von 30°C oder noch mehr kann die von der Sonnenkollektorplatte gesammelte Wärmeenergie zu einer Beschädigung der photovoltaischen Zellen führen, was letztlich einen Austausch dieser Zellen erfordert.
In einem Artikel mit dem Titel "The World's Largest And Tallest Solar Recladding" vom Erfinder der vorliegenden Anmeldung, herausgegeben in Renewable Energy Band 9, Nr. 1, 703–707 (12. September 1996) ist ein Sonnenluftheizsystem offenbart, das auch als SOLARWALL bekannt ist, in welchem eine gerippte Platte auf einem Gebäude befestigt wird. Die Platte weist Öffnungen auf, und Luft wird durch die Öffnungen und durch den Abstand zwischen der Platte und dem Gebäude angesaugt, um eine Quelle von erhitzter Luft bereitzustellen.
US-A-4095997 offenbart eine Solarzellenvorrichtung, in welcher Solarzellen in einem Kasten montiert sind und Luft durch den Kasten von einem Einlass zu einem Auslass gesogen wird, wobei dabei die Luft durch die Zellen erhitzt wird. Der Kasten enthält eine Platte mit einer darin ausgebildeten Öffnung.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit diesem Problem des Überhitzen der einer Sonnenkollektorplatte zugeordneten photovoltaischen Zellen.
Insbesondere stellt dieses Erfindung eine Anordnung bereit, umfassend:
eine im Allgemeinen gerippte Sonnenkollektorplatte, die so ausgebildet ist, dass sie an einer Gebäudeoberfläche davon beabstandet befestigt werden kann, um mit dieser einen abgeschlossenen Raum zu definieren,
eine im Wesentlichen flache Oberfläche, die von jeder von zumindest einigen der Plattenrippen definiert ist, wobei jede im Wesentlichen flache Oberfläche so konfiguriert und angeordnet ist, dass sie während zumindest eines Teils der Tageslichtstunden in die allgemeine Richtung der Sonne gerichtet ist,
zumindest einen Teil der Platte mit einer Vielzahl von im Allgemeinen einheitlich verteilten Öffnungen, wobei zumindest ein Teil der Platte zumindest einen Abschnitt der flachen Oberflächen der Rippen einschließt,
eine Vielzahl im wesentlichen flacher photavoltaischer Zellen
und Montagemittel, um die photovoltaischen Zellen an den Rippen der flachen Oberflächen zu befestigten, wobei letztere Öffnungen enthalten, wobei die photovoltaischen Zellen parallel zu den und an die flachen Oberflächen angrenzend jedoch nicht von diesen beabstandet getragen werden, wodurch Luftdurchlässe zwischen den photovoltaischen Zellen und der Kollektorplatte freigelassen werden, wodurch Luft in den geschlossenen Raum eintreten und aus diesem austreten kann, indem sie durch die Luftdurchlässe und entlang der Unterseiten der photovoltaischen Zellen strömt, um einen Überschuss-Wärmestau von den photovoltaischen Zellen zu beseitigen.
Weiters stellt diese Erfindung eine Anordnung bereit, die ein Gebäude umfasst, das eine Oberfläche definiert, die zumindest während eines Teils der Sonnenlichtstunden im Allgemeinen in die Richtung der Sonne gerichtet ist, wobei eine im Allgemeinen gerippte Sonnenkollektorplatte an der Oberfläche und zu dieser beabstandet befestigt ist, um mit dieser einen geschlossenen Raum zu definieren; eine im Wesentlichen flache Oberfläche, die von jeder von zumindest einigen Plattenrippen definiert ist, wobei jede im Wesentlichen flache Oberfläche so konfiguriert und angeordnet ist, dass diese während zumindest eines Teils der Tageslichtstunden in die allgemeine Richtung der Sonne gerichtet ist; zumindest einen Teil der Platte mit einer Vielzahl von im Allgemeinen einheitlich verteilten Öffnungen, wobei zumindest ein Teil der Platte zumindest einen Teil der flachen Oberflächen der Rippen einschließt; eine Vielzahl im Wesentlichen flacher photovoltaischer Zellen; und Montagemittel, um die photovoltaischen Zellen an den Rippen der flachen Oberflächen zu befestigen, wo letztere die Öffnungen enthalten, wobei die photovoltaischen Zellen parallel zu den und angrenzend an die flachen Oberflächen jedoch von diesen beabstandet getragen werden, wodurch ein Luftdurchlass zwischen der photovoltaischen Zelle und dem angrenzenden Teil der Sonnenkollektorplatte freigelassen wird, durch den Luft in den geschlossenen Raum eintreten und aus diesem austreten kann, indem sie durch den Luftdurchlass und entlang der Unterseite der photovoltaischen Zellen strömt, um dadurch einen Überschuss-Wärmestau von den photovoltaischen Zellen zu beseitigen.
Die Ausführungsformen dieser Erfindung sind in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht, in welchen gleiche Ziffern in allen Ansichten die gleichen Teile bezeichnen und in welchen:
1 eine Perspektive einer ersten Ausführungsform einer auf einem Dach befestigten, Sonnenwärme absorbierenden Platte ist;
2 eine Seitenansicht durch die Struktur der 1 auf einer Ebene ist, die lotrecht auf die trapezförmigen Kanäle der wärmeabsorbierenden Platte und auch lotrecht auf die geneigte andere flache Oberfläche der Platte steht, wobei eine Montagemöglichkeit für die photovoltaischen Zellen dargestellt ist;
3 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer gerippten, Sonnenwärme absorbierenden Platte ist, die deren Kombination mit photovoltaischen Zellen veranschaulicht; und
4 ein Querschnitt lotrecht auf die allgemeine Richtung der Rippen ist, der eine weitere Ausführungsform darstellt.
1 zeigt eine teilweise aufgebrochene Perspektive eines Systems zum Durchführen der vorliegenden Erfindung. Ein Gebäudedach 10 ist dargestellt, wobei dieses gewöhnlich aus einer gewellten Metall- oder einer Dachziegelkonstruktion besteht, die auf nicht gezeigten Querträgerdachelementen aufliegt. Wie bei allen nicht isolierten Gebäudedächern und -wänden gibt es einen ständigen Wärmetransport durch das Material, wenn zwischen den zwei Seiten ein Temperaturunterschied herrscht. In der dargestellten Ausführungsform ist eine wärmeabsorbierende Platte 16 auf dem Dach 10 von diesem beabstandet montiert, wodurch ein geschlossener, luftsammelnder Raum 13 definiert wird.
Es ist anzumerken, dass die wärmeabsorbierende Platte 16 eine Vielzahl von trapezförmigen Rippen 17 umfasst, wobei diese jeweils eine flache Außenwand 18 und zwei geneigte Seitenwände 19 gemeinsam mit flachen Rinnenwänden 19a aufweisen.
In der dargestellten Ausführungsform weist die gesamte Platte 16 eine Vielzahl von im Allgemeinen einheitlich verteilten Öffnungen 21 auf (die nur in 2 ersichtlich sind).
Die Kombination umfasst weiters eine Vielzahl photovoltaischer Zellen 20, die (in der dargestellten Ausführungsform) mit Hilfe geeigneter Befestigungsmittel an der flachen Außenwand 18 jeder Rippe befestigt sind, wobei sie angrenzend an einen Abschnitt der Wand 18 angeordnet sind, welche die zuvor erwähnten Öffnungen 21 aufweist. Insbesondere werden die photovoltaischen Zellen 20 so getragen, dass sie zur entsprechenden Rippenwand 18 parallel und angrenzend jedoch beabstandet zu dieser liegen, um einen Luftdurchlass 23 zwischen der photovoltaischen Zelle 20 und dem angrenzenden Abschnitt des Sonnenkollektors freizulassen, so dass Luft in den geschlossenen Raum 13 eintreten und aus diesem austreten kann (siehe 1), indem sie durch den Luftdurchlass 23 und entlang der Unterseite der photovoltaischen Zelle 20 strömt, wodurch ein Überschuss-Wärmestau von der photovoltaischen Zelle 20 beseitigt wird.
2 zeigt nur eine einzelne Öffnung 21 in der Außenwand 18 angrenzend an die photovoltaische Zelle 20, wobei zu verstehen ist, dass es nur eine einzelne Öffnung 21 in diesem Bereich an der bestimmten Position der Querschnittsplatte gibt. Tatsächlich gibt es eine Reihe von allgemein verteilten Öffnungen 21 in der Außenwand 18 der Rippe, aber eine einzelne Querschnittsansicht kann nicht alle diese Öffnungen schneiden.
Mit Bezug nochmals auf 1 ist ein Luftkanal 24 schematisch dargestellt, wobei hier ein Durchlass veranschaulicht ist, durch welchen Luft aus dem luftsammelnden Raum 13 extrahiert werden kann. Bei Bedarf kann ein Gebläse 26 im Durchgang angeordnet werden.
Mit Bezug nochmals auf 2 ist ersichtlich, dass die photovoltaische Zelle in einer von der Außenwand 18 durch Abstandsbolzen 28 beabstandeten Position getragen wird, wobei jeder dieser Bolzen einen Kopf 30, einen Schaft 32, eine Sicherheitsmutter 34 und einen einer Unterlegscheibe ähnlichen Abstandhalter 36 aufweist, der zwischen der photovoltaischen Zelle 20 und der Wand 18 liegt. Natürlich sind für Fachleute auf dem Gebiet der Technik auch andere Montagemittel möglich, welche die photovoltaische Zelle von der Wand 18 beabstandet halten können.
Die Berechnung der Anzahl und Beabstandung der Perforationen 21 basiert auf dem Luftvolumen, das während der Heizperiode erforderlich ist. Muss nicht geheizt werden, so basiert die Berechnung der Anzahl und Beabstandung der Löcher auf dem thermodynamischen Prinzip, wonach heiße Luft aufsteigt.
Nun wenden wir uns 4 zu, die eine Querschnittsansicht lotrecht auf eine allgemeine Ausdehnung der Rippen 40 darstellt. Die Rippen 40 bestehen aus flachen Oberflächen 42, die sich mit vertieften Abschnitten 44 abwechseln, wobei die flachen Oberflächen 40 und die Vertiefungen 44 eine Vielzahl von benachbarten trapezförmigen Konfigurationen definieren. Es ist insbesondere anzumerken, dass die flachen Oberflächen 40 im Allgemeinen eben (koplanar) ausgerichtet sind.
In Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen weist die aus den Oberflächen 42 und Vertiefungen 44 bestehende Sonnenkollektorplatte eine Vielzahl einheitlich verteilter Öffnungen (in 4 nicht ersichtlich) auf, die zumindest einen Teil der Platte bedecken.
Wie weiters aus 4 ersichtlich ist, sind die PV-Zellen 46 in einer solchen Größe ausgeführt, dass sie die Vertiefungen 44 abdecken, und somit gibt es relativ lange und enge Platten. Die Abstandhalter 48 sind bereitgestellt, um die PV-Zellen 46 in einer beabstandeten Position über den Vertiefungen 44 anzubringen.
Wie rechts in 4 dargestellt ist, können die PV-Zellen 46a breiter als die Vertiefungen 44 ausgeführt werden, so dass die Randabschnitte 50 der Zellen 46 in beabstandeter Ausrichtung oberhalb der Oberflächen 42 zueinander zeigen, so dass auf diese Weise ein kleiner Zwischenraum 52 zwischen ihnen freigelassen wird. Es ist anzumerken, dass die in 4 verdeutlichte Ausführungsform dann geeignet ist, wenn es erwünscht ist, effizient eine elektrische Verkabelung zur Verbindung der PV-Zellen bereitzustellen. Eine solche Verkabelung kann innerhalb einer durch die Vertiefungen 44 definierten und von den PV-Zellen 46 abgedeckten "elektrischen Leitungsführung" liegen.
In 3 sind einige PV-Zellen 54 in einer einzelnen PV-Platte 56 kombiniert, die eine solche Größe aufweist, dass sie einige aneinander angrenzende flache Oberflächen 42 und einige Vertiefungen 44 überdeckt. Erneut ist die gewellte Platte 58 perforiert, und die PV-Platten 56 sind oberhalb der Oberflächen 42 beabstandet, um so zu ermöglichen, dass kühlende Luft unterhalb der Platten 56 und durch die Öffnungen strömt.
Während einige Ausführungsformen dieser Erfindung in den begleitenden Zeichnungen und hierin zuvor beschrieben wurden, ist für Fachleute auf dem Gebiet der Technik klar verständlich, dass Änderungen und Modifikationen hierin gemacht werden können, ohne dabei vom Erfindungskern, wie er in den angeschlossenen Ansprüchen dargelegt ist, abzuweichen.

Claims

Anordnung umfassend: eine im Allgemeinen gerippte Sonnenkollektorplatte (16), die so ausgebildet ist, dass sie an einer Gebäudeoberfläche von dieser beabstandet befestigt werden kann, um mit dieser einen abgeschlossenen Raum (13) zu definieren, eine im Wesentlichen flache Oberfläche (18), die von jeder von zumindest einigen Plattenrippen definiert ist, wobei jede im Wesentlichen flache Oberfläche so konfiguriert und angeordnet ist, dass sie während zumindest einem Teil der Tageslichtstunden in die allgemeine Richtung der Sonne gerichtet ist, zumindest einen Teil der Platte mit einer Vielzahl von im Allgemeinen einheitlich verteilten Öffnungen (21), wobei zumindest ein Teil der Platte zumindest einen Abschnitt der flachen Oberflächen der Rippen einschließt, eine Vielzahl im Wesentlichen flacher photovoltaischer Zellen (20), und Montagemittel, um die photovoltaischen Zellen an den flachen Oberflächen (18), wo Letztere die Öffnungen (21) enthalten, an den Rippen zu befestigen, wobei die photovoltaischen Zellen parallel zu den und an die flachen Oberflächen angrenzend jedoch von diesen beabstandet getragen werden, wodurch Luftdurchlässe zwischen den photovoltaischen Zellen und der Kollektorplatte freigelassen werden, wodurch Luft in den geschlossenen Raum eintreten kann und diesen wieder verlassen kann, indem sie durch die Luftdurchlässe und entlang der Unterseiten der photovoltaischen Zellen strömt, um einen Überschuß-Wärmestau von den photovoltaischen Zellen zu beseitigen.
Anordnung nach Anspruch 1, worin die Rippen der Kollektorplatte im Querschnitt betrachtet im Wesentlichen trapezförmig sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, worin die Öffnungen über im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der Sonnenkollektorplatte verteilt sind.
Anordnung umfassend ein Gebäude, das eine Oberfläche definiert, die zumindest während einem Teil der Sonnenlichtstunden im Allgemeinen in die Richtung der Sonne gerichtet ist, wobei eine im Allgemeinen gerippte Sonnenkollektorplatte (16) an der Oberfläche und zu dieser beabstandet befestigt ist, um mit dieser einen geschlossenen Raum (13) zu definieren; eine im Wesentlichen flache Oberfläche (18), die von jeder von zumindest einigen Plattenrippen definiert ist, wobei jede im Wesentlichen flache Oberfläche so konfiguriert und angeordnet ist, dass diese während zumindest einem Teil der Tageslichtstunden in die allgemeine Richtung der Sonne ausgerichtet ist; zumindest einen Teil der Platte mit einer Vielzahl von im Allgemeinen einheitlich verteilten Öffnungen (21), wobei zumindest ein Teil der Platte zumindest einen Abschnitt der flachen Rippenoberflächen einschließt; eine Vielzahl im Wesentlichen flacher photovoltaischer Zellen (20); und Montagemittel, um die photovoltaischen Zellen an den flachen Oberflächen, wo Letztere die Öffnungen (21) enthalten, an den Rippen zu befestigen, wobei die photovoltaischen Zellen parallel zu den und angrenzend an die flachen Oberflächen jedoch von diesen beabstandet getragen werden, wodurch ein Luftdurchlass zwischen jeder photovoltaischen Zelle und dem angrenzenden Teil der Kollektorplatte freigelassen wird, durch den Luft in den geschlossenen Raum eindringen und aus diesem austreten kann, indem sie durch den Luftdurchlass und entlang der Unterseite der photovoltaischen Zelle strömt, um dadurch einen Überschuß-Wärmestau von den photovoltaischen Zellen zu beseitigen.
Anordnung nach Anspruch 4, worin die Rippen der Kollektorplatte im Querschnitt betrachtet im Wesentlichen trapezförmig sind.
Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, worin die Öffnungen im Wesentlichen über die gesamte Oberfläche der Sonnenkollektorplatte verteilt sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 weiters einschließend Luftbewegungsmittel, die dem geschlossenen Raum operativ zugeordnet sind, wodurch Luft durch die Öffnungen zwangsbewegt werden kann.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die flachen Oberflächen, die durch die Plattenrippen definiert sind, im Wesentlichen planar ausgerichtet sind und sich mit vertieften Abschnitten der Rippen abwechseln, wobei die photovoltaischen Zellen in photovoltaische Platten integriert sind, die auf zumindest einem Teil der flachen Oberflächen liegen und zumindest einen Teil der vertieften Abschnitte überdecken.