WO2012051732A2 - Hybrid-kollektor - Google Patents

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WO2012051732A2
WO2012051732A2 PCT/CH2011/000250 CH2011000250W WO2012051732A2 WO 2012051732 A2 WO2012051732 A2 WO 2012051732A2 CH 2011000250 W CH2011000250 W CH 2011000250W WO 2012051732 A2 WO2012051732 A2 WO 2012051732A2
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flow
wall
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Max Roth
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Max Roth
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/04—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/50—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed between plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S80/00—Details, accessories or component parts of solar heat collectors not provided for in groups F24S10/00-F24S70/00
    • F24S80/30—Arrangements for connecting the fluid circuits of solar collectors with each other or with other components, e.g. pipe connections; Fluid distributing means, e.g. headers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/40—Thermal components
    • H02S40/44—Means to utilise heat energy, e.g. hybrid systems producing warm water and electricity at the same time
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/60—Thermal-PV hybrids

Definitions

  • the invention relates to a hybrid collector with a photovoltaic element or module and a specially designed heat exchanger.
  • Hybrid collectors are for example from DE 10 2008 028489 AI, the
  • the publications are also
  • Heat exchanger are interlocked in the area between the edges of the heat exchanger at a plurality of joints by deformation.
  • the supply and discharge of the heat transfer medium takes place via laterally attached to the inflow side and the outflow side of the heat exchanger tubes.
  • the described heat exchanger has the disadvantage that the pressure loss between inflow side and outflow side is relatively large.
  • the shape of the heat exchanger should allow a compact design of the hybrid collector.
  • Hybrid collector with a photovoltaic element and a heat exchanger wherein the heat exchanger has a flow space for a
  • Heat transfer medium (especially water) has and the
  • Flow space has an inflow and an outflow side.
  • the flow-through space is connected to a pipe along the outflow side via a connection region.
  • the connection area is formed by one or more openings.
  • the flow direction of the heat transfer medium defined by the throughflow space at the location of the connection region and the tangential plane to the pipe at the location of the connection region are arranged at an angle of less than 75 °, preferably less than 60 ° and in particular less than 45 ° to each other.
  • the flow direction of the heat transfer medium defined by the throughflow space at the location of the connection region and the tangential plane to the pipe at the location of the connection region are arranged at an angle of less than 75 °, preferably less than 60 ° and in particular less than 45 ° to each other.
  • the flow direction of the heat transfer medium defined by the throughflow space at the location of the connection region and the tangential plane to the pipe at the location of the connection region are arranged at an angle of less than 75 °, preferably less than 60 ° and in
  • the advantages of the heat exchanger according to the invention are particularly evident when used in combination with a photovoltaic element.
  • the heat exchanger makes it possible to keep the temperature of the photovoltaic element at the level at which the photovoltaic element has the highest efficiency.
  • the inventive heat exchanger not only an optimization of the energy production of a
  • Photovoltaic element can be achieved.
  • the heat exchanger is also particularly suitable for the production of thermal energy.
  • a photovoltaic element preferably comprises at least one layer of photovoltaic cells or solar cells (photovoltaic layer).
  • a photovoltaic element additionally comprises a support (in particular a transparent support, such as a glass plate) on which said solar cells are arranged.
  • the flow-through space is shaped so that the heat transfer medium flows through this in the form of a film.
  • the flow-through space and / or the heat exchanger can be designed plate-shaped for this purpose.
  • the flow-through space is formed by a first and a second wall, which are arranged opposite one another.
  • the distance between the first and the second wall is preferably smaller than the radius of the tube and is preferably between 0.5 and 10 mm,
  • One or both walls are advantageously made of metal, in particular copper.
  • plastic can also be used (cost advantage);
  • metal offers better thermal conductivity and improved pressure resistance, thus ensuring low deformation.
  • the walls are therefore preferably made of copper sheets, which advantageously have a thickness of 0.2 mm to 1 mm and in particular from 0.3 mm to 0.8 mm or 0.5 mm to 0.7 mm. This material thickness ensures sufficient pressure resistance, whereby lower pressures and thus a reduced material thickness can be used due to the reduced pressure loss. It will be understood that the walls consist of two separate sheets or e.g. a folded sheet can be formed.
  • the said walls are (in particular in the region of the flow-through space) preferably arranged parallel or substantially parallel to each other and / or they have at least 40% or at least 60% or at least 70% of their area the same or constant distance from each other. It is conceivable to make the walls curved, but a parallel arrangement is preferred, in particular in connection with the application in hybrid collectors, as described below.
  • connection region preferably runs along the tube and / or parallel to the tube axis. It can extend over at least 40%, 60% or 80% of the length of the outflow side. It may be formed from a single opening or consist of a plurality of openings, the latter being advantageously arranged in a row and / or on a straight line. This information applies with advantage also for the connection area mentioned below on the inflow side.
  • connection area is located at the transition between the flow-through space and the pipe.
  • the flow direction at the location of the connection region is preferably the flow direction of the material emerging from the flow-through space
  • Heat transfer medium and / or it is below a flow direction parallel or substantially parallel to the first and / or second wall of the
  • connection region i. the open area between flow area and pipe. This is particularly preferably the plane which passes through the points where the
  • Heat transfer medium at the location of the connection region preferably extends at an angle of at least 30 °, 45 °, 60 ° or 70 ° to a plane containing on the one hand the tube axis and on the other hand contains a straight line which intersects said pipe axis and the connection area.
  • the tube is preferably open at the ends and against the
  • the first and second walls are preferably interlocked at a plurality of locations across the walls by deformation.
  • the deformations are evenly distributed and / or arranged in rows and / or in a grid. It may also be preferred if the deformations are offset with respect to the flow direction.
  • the distance between adjacent deformations of a wall is preferably 10 to 50 mm or 20 to 30 mm.
  • the number of joints is preferably at least 20, 40 or 60.
  • the deformations extend out of the plane of a wall, thereby enlarging its cross section or its outer diameter.
  • the opposite wall has with said deformations positively cooperating deformations.
  • these latter deformations extend out of the plane of the wall, thereby reducing its internal cross-section, or its inner diameter. So they can record the deformed parts of the other wall positively.
  • They are preferably deformations which counteract the separation or the widening of the distance of the first and the second wall by positive locking and preferably also prevent them from shifting relative to one another (for example parallel to the wall surfaces).
  • the configuration of the deformations preferably corresponds to that described in EP 1 204 495 B1. As a result, a high pressure resistance and tightness can be achieved.
  • connections or deformations are preferably round, oval or polygonal. Furthermore, it may be desirable to design the deformations streamlined.
  • the flow-through space is preferably at the between the
  • the closure can be done for example by welding. Furthermore, it is advantageous if the flow-through a
  • the flow-through space may be formed of a plurality of chambers, which are preferably adjacent to one another
  • Flow space forms a cavity.
  • a very uniform temperature in the photovoltaic element is achieved when used in hybrid collectors.
  • the first and second walls are preferably connected to the tube
  • the upper wall is preferably tangential or substantially tangential to the pipe or tangent to the pipe at the point of contact.
  • this construction has the advantage that e.g. a photovoltaic element need not be placed between the tubes since the tubes do not project beyond the contact surface (i.e., e.g., first wall) of the heat exchanger with the photovoltaic element.
  • the tube can thus represent an independent part which is connected to the walls and (in order to establish a flow connection with the
  • the tube is advantageously formed from the first and / or the second wall.
  • the tube may consist wholly or partly of the first and / or second wall.
  • the ends the walls on the outflow side be formed so that they form the pipe or a part of the tube (eg trough-shaped in shape or pressed).
  • connection region is preferably formed by a through opening extending over at least 50%, 60% or 70% of the length of the outflow side. This opening between the flow-through space and the pipe results automatically when the first and / or second wall passes directly into the tubular body.
  • the first and second walls are preferably connected along the tube body (preferably parallel to the tube axis); e.g. over a weld. In this case, it is particularly advantageous if the first and the second wall form a projection on the pipe along the pipe body.
  • the supernatant is preferably arranged opposite the connection region. He is preferably formed by parallel portions of the walls, which are in each other
  • the supernatant projects at right angles or substantially at right angles from the tube.
  • the open end faces of the tube (or pipe part) formed by the first and / or second wall are preferably connected (in particular coaxially) to a pipe piece (for example by welding).
  • the pipe is partially formed by the pipe pieces and partly by the first and / or second wall.
  • the tube advantageously has a diameter of more than 12, 14 or 16 mm and preferably less than 40, 35 or 30 mm. Particularly preferred are 18 to 22 mm. It is preferred if the tube has no or substantially no corners and / or edges in the interior of the cross-section (if appropriate with the exception of the location of the connection region or the junction of the walls). It has proven to be advantageous if the tube or at least the inner circumferential surface has a cylindrical shape, in particular a circular cylindrical shape. However, it is also possible, for example, an oval or elliptical basic shape of the cylinder. It may also be advantageous if the tube or at least its inner circumferential surface has a spiral shape or helical shape.
  • the plane defined by the first and / or second wall at the location of the connection region and the tangential plane to the tube at the location of the connection region at an angle of less than 75 ° or less than 60 ° or 40 ° to each other are, wherein the plane defined by the first wall is preferably tangential or substantially tangent to the pipe. According to a particularly preferred embodiment variant is the
  • Terminal area is formed by one or more openings.
  • the flow direction of the heat transfer medium defined by the throughflow space at the location of the second connection region and the tangential plane to the pipe at the location of the second connection region are arranged at an angle of less than 75 °, preferably less than 60 ° and in particular less than 45 ° to each other.
  • connection area and the flow area mentioned features are also disclosed for the inflow, and in particular for the second tube, the second connection area and the flow space.
  • Applicant parts on the outflow side, etc. relate to such information then of course to the corresponding parts of the device and the Flow direction on the inflow side.
  • the flow direction at the location of the connection region on the inflow side is preferably the flow direction of the heat transfer medium entering the flow space and / or it is understood as meaning a flow direction parallel or substantially parallel to the first and / or second wall of the heat exchanger.
  • the invention also includes a hybrid collector with a
  • Photovoltaic element and a heat exchanger as described in this document.
  • Photovoltaic element disposed on the heat exchanger and is thermally connected thereto.
  • Such heat exchangers have substantially the same temperature over their entire surface, since the walls are in direct contact with the heat transport medium. Therefore, they are particularly suitable for the planar cooling of photovoltaic layers.
  • such an element can be arranged in a vacuum tube. As a result, the heat loss can be reduced.
  • the photovoltaic layer is arranged together with a carrier of the photovoltaic layer at a distance from the heat exchanger.
  • a photovoltaic layer eg in the form of a film
  • a cover is therefore proposed to install a photovoltaic layer on a support at a distance in front of the heat collector.
  • a photovoltaic layer e.g., in the form of a foil
  • the photovoltaic layer has no or only a poor thermal connection to the heat exchanger, is as high as possible
  • Photovoltaic element with the heat exchanger element causes an increase in the efficiency of the photovoltaic element.
  • Heat exchanger with a photovoltaic element increases the energy gain of the heat exchanger on the same surface practically all the electrical energy recovered.
  • a transparent cover in particular a glass pane or solar glass pane is arranged in front of the photovoltaic element and / or in front of the photovoltaic layer, wherein between the
  • Photovoltaic element and the transparent cover a distance is provided.
  • the distance is advantageously 1.5 to 3.5 cm or 2 to 3 cm.
  • a cavity in particular an air-filled cavity is provided.
  • the height of the cavity can be used for the distance between
  • Cavity preferably extends over at least 70, 80 or 90 percent of the area of the photovoltaic element or it comprises at least 70, 80 or 90 percent of the space between photovoltaic element and cover.
  • Cavity serves to generate the greenhouse effect described above.
  • the cover may be detachably connected to the photovoltaic element, i. it can e.g. removed in summer and mounted before the beginning of winter.
  • the hybrid collector has a housing. This includes with advantage a (preferably plate-shaped)
  • Photovoltaic element on the top as well as side walls and a rear wall.
  • the housing is not insulated and / or has no back wall. In this way, the
  • Heat exchangers absorb heat on both sides.
  • the photovoltaic element is preferably fixedly connected to the housing and / or the side walls.
  • the heat exchanger is preferably not firmly connected to the housing and / or the photovoltaic element.
  • the heat exchanger is designed to be movable or displaceable relative to the photovoltaic element and / or relative to the housing (if such is provided). If the
  • Heat exchanger is movable within the housing, this has the advantage that the hybrid collector (especially when it is connected to other hybrid collectors) suffers no damage when vibrations or a
  • the photovoltaic element and the heat exchanger can be in direct contact.
  • they are connected via a heat conducting layer, which may be gaseous, liquid or solid, with a liquid and in particular a solid form being preferred.
  • the heat conducting layer is preferably electrically insulating. It can be in full contact with the heat exchanger in contact;
  • the heat-conducting layer covers at least 70% or at least 85% of the contact surface between the heat exchanger and the photovoltaic element.
  • the Cyprusleit Mrs advantageously has the form of a film. It may also be advantageous to form the heat-conducting layer in the form of strips or in the form of a net (drying).
  • the michleit Mrs can fulfill two other important tasks in addition to theticianleitmaschine. First, it can compensate for unevenness on the heat exchanger or on the photovoltaic element and thus act as a mechanical protection. Deformations or movements do not damage the
  • Hybrid collector Second, it can electrically isolate current-carrying parts of the apparatus of water-carrying parts.
  • the heat conducting layer allows movement of the heat exchanger relative to the photovoltaic element.
  • the heat-conducting layer is formed from a material which is elastically or plastically deformable at atmospheric pressure and / or by pressures such as occur in hybrid collectors.
  • the heat-conducting layer is particularly preferably formed from a (at room temperature) flowable or spread-resistant substance, in particular it may be a thermal paste.
  • a (at room temperature) flowable or spread-resistant substance in particular it may be a thermal paste.
  • flowable substances could be displaced in a repeated movement of the type mentioned. It may therefore be preferable for the Heat conducting layer to use a substance, the distance between
  • Heat exchanger and photovoltaic element keeps constant. This one owns
  • a rubber elastic material e.g., a silicone elastomer, etc.
  • the photovoltaic element and the heat exchanger are arranged in a housing, wherein the tube passes through an opening from the housing and is preferably designed to be movable relative to the opening.
  • the opening has for this purpose preferably a larger diameter than the outer diameter of the tube. It can be round or be formed as a slot which extends to the edge of the housing wall.
  • the photovoltaic element advantageously has control electronics. This preferably includes a switch for electrical isolation of
  • Photovoltaic element from the power grid and / or from one or more other hybrid collectors is preferably wirelessly operable, e.g. via radio waves or radio waves.
  • the photovoltaic elements are
  • the photovoltaic element preferably extends over the
  • the photovoltaic element extends beyond the tube and / or the second tube.
  • the heat exchanger side facing the protruding part of the photovoltaic element is preferably the
  • the invention also provides a system with a plurality of said heat exchangers or with a plurality of hybrid collectors described, which are interconnected. Preferably, they are connected together in series, wherein the tube of a heat exchanger or hybrid collector is connected to the tube of an adjacent heat exchanger or hybrid collector. The same applies to the second tube.
  • a heat exchanger in particular for a hybrid collector, wherein
  • the heat exchanger has a flow space for a heat transfer medium
  • the flow-through space has an inflow side and an outflow side, wherein the flow-through space along the outflow side via a
  • Connection area is connected to a pipe
  • connection area is formed by one or more openings, wherein
  • Heat transfer medium at the location of the connection area and the tangential plane are arranged on the pipe at the location of the connection area at an angle of less than 75 ° to each other.
  • the flow-through space on the upper side and the lower side is delimited by two walls arranged parallel to one another and at a distance of less than 5 mm, which are preferably made of copper sheets,
  • the flow-through space is formed closed at the sides extending between the inflow side and the outflow side, the flow-through space forms a coherent cavity which extends in the flow direction from the inflow side to the outflow side and transversely to the flow direction up to the closed sides,
  • the walls are connected to the tube or form the tube, wherein the plane defined by the first wall tangentially abuts the tube and wherein the tube has a diameter of more than 10 mm, and
  • a photovoltaic element disposed on the first wall and is thermally connected thereto.
  • Connection area is connected to a second pipe
  • the second connection area is formed by one or more openings
  • Tangentialebene are arranged on the pipe at the location of the second connection region at an angle of less than 75 ° to each other.
  • the distance between the first and the second wall is smaller than the radius of the tube and preferably between 0.5 and 10 mm, in particular between 1 and 5 mm and particularly preferably between 1.5 and 3.5 mm and wherein the walls are preferably made of Copper sheets exist.
  • Heat exchanger is arranged and thermally connected thereto, wherein the heat exchanger is preferably displaceable relative to the photovoltaic element.
  • Control electronics is arranged.
  • a hybrid collector according to any one of 8.) to 11.), wherein the photovoltaic element and the heat exchanger are arranged in a housing, wherein the tube of the heat exchanger passes through an opening of the housing and is designed to be movable relative to the opening , wherein it is preferred if the opening for this purpose has a larger diameter than the outer diameter of the tube.
  • Fig. L a part of a heat exchanger at the transition between
  • Fig. 2a is a plan view of the heat exchanger
  • Fig. 2b is a side view of the heat exchanger of Fig.2a;
  • Fig. 3a is a plan view of a hybrid collector
  • Fig.3b is a side view of the hybrid collector of Fig. 3a;
  • FIG. 5a is a perspective view of a hybrid collector
  • Fig.5b the circled in Figure 5a section of the hybrid collector.
  • FIG. 1 shows the outflow side 17 of a heat exchanger 11 according to the invention, wherein the inflow side is advantageously constructed the same with respect to the described components. Shown is a flow-through space 13, which is traversed by a heat transfer medium such as water.
  • a heat transfer medium such as water.
  • Heat transfer medium occurs at the inflow side (not shown) in the
  • the latter is connected via a connection region 19 in flow communication with a tube 21, through which the heat transfer medium is removed.
  • the flow-through space 13 is bounded at the top by a first wall 43 and at the bottom by a second wall 45, which is advantageous
  • the flow-through space 13 is by its shape, the flow direction 25 of the heat transfer medium before. It has been found that a substantial reduction of the pressure loss between inflow side and outflow side 17 can be achieved by the shown arrangement and shape of the heat exchanger 11, which makes it possible to connect a larger number of such heat exchangers in series.
  • the reduced pressure drop is achieved by virtue of the heat transfer medium entering the tube 21 substantially tangentially via the connection region 19 and thereby creating a more uniform, optionally spiral, flow in the tube 21 .
  • the distance between the first and the second wall (43 and 45) is made smaller than the radius of the tube 21 and the first wall 43 strikes the tube 21 approximately tangentially.
  • the angle 29 between the flow direction 25 (or the direction of the movement vector of the heat transfer medium) and a tangential plane 27 at the location of the connection region 19 (ie at the transition between flow chamber 13 and tube 21) is thus between 0 ° and 30 °.
  • the tube 21 is formed by the first and second walls 43 and 45.
  • the walls 43 and 45 each form about half of the tubular body and meet approximately opposite the connection area 19 together.
  • a projection 46 is provided on the tube which forms the connection between the first and second walls 43 and 45 and consists of two parts of the walls 43 and 45 arranged in parallel and in contact with each other, which are preferably welded together.
  • 2b shows the heat exchanger 11 from the same direction as Fig.l, with the difference that the heat exchanger 11 is shown in its entire length from the inflow side 15 to the outflow 17.
  • the inflow side 15 is designed substantially the same as the outflow side 17.
  • Inflow side 15 feeds the heat transfer medium via a second connection area.
  • FIG. 2a shows the heat exchanger 11 in plan view. Again, there are the tubes 21 and 33 shown in Fig. 2b, which are opposed to each other and preferably arranged in parallel. Furthermore, it can be seen that the
  • Heat exchanger 11 has a substantially rectangular shape and at two opposite ends by the inflow side 15 and the outflow side 17 is limited.
  • the two extending between the inflow side 15 and the outflow side 17, also opposite sides 49 close the flow space 13 from.
  • the first and the second wall by means of soldered rabbets.
  • the one by the said four-side limited flow space preferably forms a continuous cavity.
  • the first and second walls are interlocked by means of a plurality of deformations 47 distributed over the walls. This allows a high pressure resistance and tightness.
  • FIG. 3 a (top view) and FIG. 3 b (side view) show a hybrid collector 51 which has a photovoltaic element 53 and a heat exchanger 11, as described above.
  • the photovoltaic element 53 is shown here transparent for better illustration, whereby the underlying heat exchanger is visible. Due to the fact that the first wall 43 of the heat exchanger meets the tubes 21 and 33 tangentially, the latter are not in contact with the photovoltaic element defined by the first wall 43. Therefore, the photovoltaic element 53 may extend beyond the tubes 21 and 33 and / or beyond the heat exchanger. This allows a very space-saving (in particular flat) construction of the hybrid collector 51. For example, on the protruding part of the heat exchanger side facing the
  • Photovoltaic element the control electronics for the hybrid collector 51 may be attached.
  • the heat exchanger described is particularly suitable for use in a hybrid collector due to its low height and its large flat contact surface.
  • at least 40%, 60% or 70% of the underside of the photovoltaic element is in thermal contact with the first wall 43 of the heat exchanger, wherein the contact is advantageously produced via a thermal paste. This makes it possible for the
  • Heat exchanger remains movable parallel to Photovoitaik element 53. This is important because the housing 55 is preferably fixedly connected to the photovoltaic element 53. When such a housing 55 is mounted on a roof, the expansion and contraction of the heat exchanger may not cause stress due to temperature variations.
  • the heat exchanger and the photovoltaic element 53 and / or the housing 55 are movable relative to each other.
  • the housing 55 is shown from the side.
  • the illustrated openings 57 for the tubes 21 and 33rd are preferably larger than the cross section of the tubes 21 and 33.
  • the distance of the tube outer sides to the edge of the openings should be at least 0.5 mm, preferably at least 2 mm. This allows the tubes 21 and 33 to move within the openings 57.
  • two interconnected hybrid collectors 51 are shown in plan view.
  • the tubes 33 for the supply of the heat transfer medium of the two hybrid collectors 51 are connected to each other.
  • Connecting means 59 for the tight connection of the tubes 21 are located.
  • Such hybrid collectors 51 may be connected in series, as shown in FIG. be mounted on building roofs.
  • FIG. 5 b shows the construction of a hybrid collector in a perspective view, the individual parts being shown separated from each other for better illustration.
  • Fig.5a shows the area circled in Fig.5b enlarged. Shown are the upper and lower walls 43 and 45 of the heat exchanger and the
  • the upper wall 43 is substantially tangential to the tube 21, and extends around a portion of the tube circumference.
  • the second wall 45 also extends partially around the circumference of the tube 21.
  • the walls 43 and 45 thus surround the tube 21 in whole or in part (stability, tightness), preferably at least half of its circumference.
  • the walls 43 and 45 are trough-shaped in shape or pressed.
  • the tube 21 advantageously has slots or bores which are positioned on the heat exchanger 11 on the outflow side 17 of the flow-through space 13 or at the inlet to the flow-through space 13 (openings of the connection area), thus establishing a flow connection between the pipe 21 and the flow-through space 13 is guaranteed.
  • the construction on the other side, ie at the tube 33 is the same as the Fig.5a can be removed.
  • the photovoltaic element 53 is connected flat to the upper or first wall 43 of the heat exchanger.
  • the Contact surface is advantageously at least 40%, in particular at least 60% of the area of the first wall 43 of the heat exchanger. Are for example also the
  • the contact area can be over 80% of the area of the first wall 43.
  • the individual parts of the housing 55 are shown in Fig.5a and 5b, as well as provided on the side wall openings 57 for the tubes 21 and 33rd

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hybrid-Kollektor mit einem Photovoltaik-Element 53 und einem Wärmetauscher 11. Der Wärmetauscher weist einen Durchströmungsraum für ein Wärmeträgermedium auf, wobei der Durchströmungsraum eine Einströmseite und eine Ausströmseite hat. Der Durchströmungsraum ist entlang der Ausströmseite über einen Anschlussbereich mit einem Rohr 21 verbunden, wobei der Anschlussbereich durch eine oder mehrere Öffnungen gebildet ist. Die durch den Durchströmungsraum definierte Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums am Ort des Anschlussbereichs und die Tangentialebene an das Rohr am Ort des Anschlussbereichs sind in einem Winkel von weniger als 75° zueinander angeordnet.

Description

Hybrid-Kollektor
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Hybrid-Kollektor mit einem Photovoltaik-Element bzw. Modul und einem speziell ausgestalteten Wärmetauscher.
Stand der Technik
Hybridkollektoren sind beispielsweise aus der DE 10 2008 028489 AI, der
DE 101 02 918 AI oder der DE 200 10880 Ul bekannt. Diese weisen ein
Photovoltaik-Element und auf dessen Rückseite einen Wärmetauscher zum
Abtransport der entstehenden Wärme auf. Die Bauweise bekannter Kollektoren ist jedoch meist nicht sehr platzsparend und/ oder preiswert. Zudem stellen deren Effizienz und teilweise auch deren Dauerhaftigkeit ein Problem dar.
Weiterhin sind rein thermische Kollektoren bekannt, die aufgrund ihrer
Konstruktionsweise jedoch im Allgemeinen nicht ohne Weiteres dazu geeignet sind, mit Photovoltaik-Elementen kombiniert zu werden. Dazu gehören unter Anderem die in der US 4,114,597 oder der CA 1,120 807 Genannten. Aus der europäischen Patentschrift EP 1 204495 Bl ist darüber hinaus ein flacher
Wärmetauscher mit zwei miteinander verbundenen Wandungen und dazwischen einem Durchströmungsraum für ein Wärmetransportmedium bekannt, der sich - wie sich herausstellte - für eine Kombination mit einem Photovoltaik-Element gut eignet. In diesem Zusammenhang seien auch die Offenlegungsschriften
WO 0169688 AI und WO 0169689 AI genannt. Die Wandungen des
Wärmetauschers sind in der Fläche zwischen den Rändern des Wärmetauschers an einer Vielzahl von Verbindungsstellen durch Verformung miteinander verzahnt. Die Zuführung und die Abführung des Wärmeträgermediums erfolgt über seitlich an der Einströmseite und der Ausströmseite des Wärmetauschers angebrachte Rohre. Der beschriebene Wärmetauscher weist den Nachteil auf, dass der Druckverlust zwischen Einströmseite und Ausströmseite relativ gross ist.
Bestätigungskopie Entsprechend ist die Anzahl von Wärmetauschern, welche in Reihe geschaltet werden können, begrenzt.
Auf abe der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hybrid-Kollektor bereitzustellen, bei welchem der Druckverlust zwischen der Einströmseite und der Ausströmseite des Wärmetauschers möglichst gering ist. Darüber hinaus soll die Form des Wärmetauschers eine kompakte Bauweise des Hybridkollektors ermöglichen. Weitere Vorteile und Ziele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Darstellung der Erfindung
Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch einen Hybrid- Kollektor nach Anspruch 1. Insbesondere handelt es sich dabei um einen
Hybrid-Kollektor mit einem Photovoltaik-Element und einem Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher einen Durchströmungsraum für ein
Wärmeträgermedium (insbesondere Wasser) besitzt und der
Durchströmungsraum eine Einströmseite sowie eine Ausströmseite aufweist. Der Durchströmungsraum ist entlang der Ausströmseite über einen Anschlussbereich mit einem Rohr verbunden. Der Anschlussbereich ist dabei durch eine oder mehrere Öffnungen gebildet. Die durch den Durchströmungsraum definierte Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums am Ort des Anschlussbereichs und die Tangentialebene an das Rohr am Ort des Anschlussbereichs sind in einem Winkel von weniger als 75°, vorzugsweise weniger als 60° und insbesondere weniger als 45° zueinander angeordnet. Vorzugsweise ist der
Durchströmungsraum und/ oder eine durch den Durchströmungsraum definierte Ebene im genannten Winkel zur genannten Tangentialebene angeordnet.
Es wurde gefunden, dass durch ein im Wesentlichen tangentiales Eintreten des Wärmeträgermediums in das Rohr eine substanzielle Verminderung des
Druckverlusts zwischen Einströmseite und Ausströmseite erreicht werden kann. Ohne sich auf einen Mechanismus einschränken zu wollen, wird angenommen, dass sich durch diese Massnahme eine gleichmässigere, gegebenenfalls
spiralförmige Strömung im Rohr ergibt. Die Vorteile des erfindungsgemässen Wärmetauschers treten insbesondere bei der Verwendung in Kombination mit einem Photovoltaik-Element zutage. Der Wärmetauscher erlaubt es, die Temperatur des Photovoltaik-Elements auf demjenigen Niveau zu halten, bei welchem das Photovoltaik-Element den höchsten Wirkungsgrad besitzt. Jedoch kann mit dem erfindungsgemässen Wärmetauscher nicht nur eine Optimierung der Energieproduktion eines
Photovoltaik-Elements erzielt werden. Der Wärmetauscher ist darüber hinaus in besonderem Masse zur Gewinnung von thermischer Energie geeignet.
Ein Photovoltaik-Element umfasst vorzugsweise zumindest eine Schicht von photovoltaischen Zellen bzw. Solarzellen (photovoltaische Schicht). Mit Vorteil umfasst ein Photovoltaik-Element zusätzlich einen Träger (insbesondere einen transparenten Träger wie z.B. eine Glasplatte), auf dem die genannten Solarzellen angeordnet sind. Nachfolgend werden Ausgestaltungsformen des Wärmetauschers beschrieben, wobei die genannten bevorzugten Merkmale - soweit sie sich nicht ausschliessen - in beliebiger Kombination verwirklicht sein können.
Begriffe in diesem Dokument sollen bevorzugt so verstanden werden, wie sie ein Fachmann auf dem Gebiet verstehen würde. Insbesondere für den Fall, dass Unklarheiten bestehen sollten, sind alternativ dazu bevorzugt die in diesem Dokument aufgeführten Definitionen von Begriffen massgeblich.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist der Durchströmungsraum so geformt, dass das Wärmeträgermedium diesen in Form eines Films durchströmt. Der Durchströmungsraum und/ oder der Wärmetauscher kann zu diesem Zweck plattenförmig ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt ist der Durchströmungsraum durch eine erste und eine zweite Wand gebildet, welche einander gegenüberliegend angeordnet sind. Der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Wand ist vorzugsweise kleiner als der Radius des Rohrs und beträgt bevorzugt zwischen 0.5 und 10 mm,
insbesondere zwischen 1 und 5 mm und besonders bevorzugt zwischen 1.5 und 3.5 mm. Vorzugsweise gilt dies mindestens für 40%, 60% oder 70% der Fläche der ersten und/ oder zweiten Wand. Vorzugsweise ist unter dem Abstand zwischen der ersten und der zweiten Wand der Abstand im Bereich des
Durchströmungsraums zu verstehen und/ oder der Abstand derjenigen Teile der ersten und zweiten Wand, die den Durchströmungsraum bilden. Eine oder beide Wände sind vorteilhaft aus Metall, insbesondere Kupfer gefertigt. Im Prinzip ist auch Kunststoff verwendbar (Kostenvorteil); Metall bietet jedoch eine bessere Wärmeleitfähigkeit sowie eine verbesserte Druckresistenz und gewährleistet damit eine geringe Verformung. Die Wände bestehen demnach bevorzugt aus Kupferblechen, wobei diese mit Vorteil eine Dicke von 0,2 mm bis 1 mm und insbesondere von 0,3 mm bis 0,8 mm oder 0,5 mm bis 0,7 mm aufweisen. Diese Materialdicke gewährleistet eine ausreichende Druckresistenz, wobei durch den verringerten Druckverlust auch geringere Drücke und damit eine verringerte Materialdicke zum Einsatz kommen können. Es versteht sich, dass die Wände aus zwei getrennten Blechen oder z.B. einem gefalzten Blech gebildet sein können.
Die genannten Wände sind (insbesondere im Bereich des Durchströmungsraums) vorzugsweise parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und/ oder sie haben auf mindestens 40% oder mindestens 60% oder mindestens 70% ihrer Fläche gleichen bzw. konstanten Abstand voneinander. Es ist denkbar, die Wände gekrümmt auszugestalten, wobei eine parallele Anordnung jedoch bevorzugt ist, insbesondere im Zusammenhang mit der Anwendung in Hybrid- Kollektoren, wie sie weiter unten beschrieben ist.
Der Anschlussbereich verläuft bevorzugt entlang des Rohres und/ oder parallel zur Rohrachse. Er kann sich über mindestens 40%, 60% oder 80% der Länge der Ausströmseite erstrecken. Dabei kann er aus einer einzigen Öffnung gebildet sein oder aus einer Mehrzahl von Öffnungen bestehen, wobei letztere mit Vorteil in einer Reihe und/ oder auf einer Geraden angeordnet sind. Diese Angaben gelten mit Vorteil auch für den weiter unten erwähnten Anschlussbereich auf der Einströmseite.
Der Anschlussbereich befindet sich am Übergang zwischen Durchströmungsraum und Rohr. Die Strömungsrichtung am Ort des Anschlussbereichs ist vorzugsweise die Strömungsrichtung des aus dem Durchströmungsraum tretenden
Wärmeträgermediums und/ oder es ist darunter eine Strömungsrichtungparallel oder im Wesentlichen parallel zu der ersten und/ oder zweiten Wand des
Wärmetauschers zu verstehen. Die Tangentialebenen an das Rohr am Ort des Anschlussbereichs verlaufen durch den Anschlussbereich d.h. den offenen Bereich zwischen Durchströmungsraum und Rohr. Besonders bevorzugt ist damit die Ebene gemeint, welche durch die Punkte verläuft, an denen der
Durchströmungsraum auf das Rohr trifft (oder in das Rohr übergeht) oder diejenige Tangentialebene, welche parallel zu einer solchen Ebene angeordnet ist.
Die durch den Durchströmungsraum definierte Strömungsrichtung des
Wärmeträgermediums am Ort des Anschlussbereichs verläuft vorzugsweise in einem Winkel von mindestens 30°, 45°, 60° oder 70° zu einer Ebene, die einerseits die Rohrachse enthält und andererseits eine Gerade enthält, die die genannte Rohrachse sowie den Anschlussbereich schneidet. Das Rohr ist vorzugsweise an den Enden offen und gegen den
Durchströmungsraum hin mit einer oder mehreren Öffnungen versehen. Die erste und die zweite Wand sind vorzugsweise an einer Vielzahl über die Wände verteilten Stellen durch Verformung ineinander verzahnt. Vorzugsweise sind die Verformungen gleichmässig verteilt und/ oder in Reihen und/ oder in einem Raster angeordnet. Es kann auch bevorzugt sein, wenn die Verformungen in Bezug auf die Strömungsrichtung versetzt angeordnet sind.
Der Abstand zwischen benachbarten Verformungen einer Wand beträgt bevorzugt 10 bis 50 mm oder 20 bis 30 mm. Die Zahl der Verbindungsstellen beträgt vorzugsweise mindestens 20, 40 oder 60.
Mit Vorteil erstrecken sich die Verformungen aus der Ebene einer Wand heraus und vergrössern dabei ihren Querschnitt oder ihren äusseren Durchmesser. Die gegenüberliegende Wand weist mit den genannten Verformungen formschlüssig zusammenwirkende Verformungen auf. Vorzugsweise erstrecken sich diese letztgenannten Verformungen aus der Ebene der Wand heraus und verringern dabei ihren inneren Querschnitt, oder ihren inneren Durchmesser. So können sie die verformten Teile der anderen Wand formschlüssig aufnehmen. Es handelt sich vorzugsweise um Verformungen, die der Trennung oder der Abstandserweiterung der ersten und der zweiten Wand durch Formschluss entgegenwirken und vorzugsweise auch ein Verschieben derselben relativ zueinander (z.B. parallel zu den Wandoberflächen) verhindern. Die Ausgestaltung der Verformungen entspricht vorzugsweise der in der EP 1 204 495 Bl beschrieben. Dadurch kann eine hohe Druckresistenz und Dichtigkeit erreicht werden.
Die Verbindungen bzw. Verformungen sind vorzugsweise rund, oval oder vieleckig ausgebildet. Weiterhin kann es wünschenswert sein, die Verformungen stromlinienförmig auszugestalten. Der Durchströmungsraum ist vorzugsweise an den sich zwischen der
Einströmseite und der Ausströmseite erstreckenden Seiten geschlossen
ausgebildet. Das Verschliessen kann beispielsweise durch Verschweissen erfolgen. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Durchströmungsraum einen
zusammenhängenden Hohlraum bildet, der sich in Strömungsrichtung von der Einströmseite bis zur Ausströmseite und quer zur Strömungsrichtung bis zu den geschlossenen Seiten erstreckt. Alternativ dazu kann der Durchströmungsraum aus mehreren Kammern gebildet sein, die vorzugsweise nebeneinander
(bevorzugt parallel) von der Einströmseite zur Ausströmseite verlaufen.
Besonders bevorzugt ist jedoch die oben genannte Variante, bei der der
Durchströmungsraum einen Hohlraum bildet. Dadurch wird bei der Verwendung in Hybrid-Kollektoren eine sehr gleichmässige Temperatur im Photovoltaik- Element erreicht.
Die erste und die zweite Wand sind bevorzugt mit dem Rohr verbunden
(beispielsweise durch Verschweissen), wobei die obere Wand (erste Wand) vorzugsweise tangential oder im Wesentlichen tangential auf das Rohr trifft oder an der Berührungsstelle tangential am Rohr anliegt. Neben der gewünschten Führung des Wärmeträgermediums hat diese Konstruktionsweise den Vorteil, dass z.B. ein Photovoltaik-Element nicht zwischen den Rohren angeordnet werden muss, da die Rohre nicht über die Kontaktfläche (d.h. z.B. die erste Wand) des Wärmetauschers mit dem Photovoltaik-Element vorstehen. Das Rohr kann also ein eigenständiges Teil darstellen, welches mit den Wänden verbunden und (zwecks Herstellung einer Strömungsverbindung mit dem
Durchströmungsraum) mit einer oder mehreren Öffnungen versehen ist, die den Anschlussbereich bilden. Alternativ dazu ist das Rohr mit Vorteil aus der ersten und/ oder der zweiten Wand gebildet. Das Rohr kann ganz oder teilweise aus der ersten und/ oder zweiten Wand bestehen. Zu diesem Zweck können die Enden der Wände auf der Ausströmseite so geformt sein, dass sie das Rohr oder einen Teil des Rohrs bilden (z.B. rinnenförmig in Form gezogen oder gepresst).
Der Anschlussbereich wird in diesem Fall bevorzugt durch eine sich über mindestens 50%, 60% oder 70% der Länge des Ausströmseite erstreckende, durchgehende Öffnung gebildet. Diese Öffnung zwischen Durchströmungsraum und Rohr ergibt sich automatisch, wenn die erste und/ oder zweite Wand direkt in den Rohrkörper übergeht. Um ein Rohr zu bilden, sind die erste und die zweite Wand vorzugsweise entlang des Rohrkörpers (vorzugsweise parallel zur Rohrachse) verbunden; z.B. über eine Schweissnaht. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn die erste und die zweite Wand entlang des Rohrkörpers einen Überstand am Rohr bilden. Der Überstand ist vorzugsweise gegenüber des Anschlussbereichs angeordnet. Er ist bevorzugt durch parallele Bereiche der Wände gebildet, die miteinander in
Kontakt stehen. Ausserdem ist es von Vorteil, wenn der Überstand rechtwinklig oder im Wesentlichen rechtwinklig vom Rohr absteht.
Die offenen Stirnseiten des durch die erste und/ oder zweite Wand gebildeten Rohrs (bzw. Rohrteils) sind vorzugsweise jeweils (insbesondere koaxial) mit einem Rohrstück verbunden (beispielsweise durch Verschweissen). In diesem Fall ist das Rohr teilweise durch die Rohrstücke und teilweise durch die erste und/ oder zweite Wand gebildet. Das Rohr weist mit Vorteil einen Durchmesser von mehr als 12, 14 oder 16 mm und vorzugsweise weniger als 40, 35 oder 30 mm auf. Besonders bevorzugt sind 18 bis 22 mm. Es ist bevorzugt, wenn das Rohr im Querschnitt im Inneren keine oder im Wesentlichen keine Ecken und/ oder Kanten aufweist (gegebenenfalls mit Ausnahme des Ortes des Anschlussbereiches oder der Verbindungsstelle der Wände). Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Rohr oder zumindest dessen innere Mantelfläche eine zylindrische Form aufweist, insbesondere eine kreiszylindrische Form. Möglich ist jedoch z.B. auch eine ovale oder elliptische Grundform des Zylinders. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn das Rohr oder zumindest dessen innere Mantelfläche eine Spiralform bzw. Helixform aufweist. Mit dieser
Formgebung soll eine gleichmässige Strömung im Rohr erreicht werden.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die durch die erste und/ oder zweite Wand definierte Ebene am Ort des Anschlussbereichs und die Tangentialebene an das Rohr am Ort des Anschlussbereichs in einem Winkel von weniger als 75° oder weniger als 60° oder 40° zueinander angeordnet sind, wobei die durch die erste Wand definierte Ebene vorzugsweise tangential oder im Wesentlichen tangential am Rohr anliegt. Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist der
Durchströmungsraum entlang der Einströmseite über einen zweiten
Anschlussbereich mit einem zweiten Rohr verbunden, wobei der zweite
Anschlussbereich durch eine oder mehrere Öffnungen gebildet ist. Die durch den Durchströmungsraum definierte Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums am Ort des zweiten Anschlussbereichs und die Tangentialebene an das Rohr am Ort des zweiten Anschlussbereichs sind dabei in einem Winkel von weniger als 75°, vorzugsweise weniger als 60° und insbesondere weniger als 45° zueinander angeordnet. Die im Zusammenhang mit der Ausströmseite, insbesondere für das Rohr, den
Anschlussbereich und den Durchströmungsraum erwähnten Merkmale seien auch für die Einströmseite offenbart, und zwar insbesondere auch für das zweite Rohr, den zweiten Anschlussbereich und den Durchströmungsraum. Soweit die genannten Merkmale Verhältnisse oder Beziehungen zu bestimmten
Vorrichtungsteilen auf der Ausströmseite etc. betreffen, beziehen sich solche Angaben dann natürlich auf die entsprechenden Vorrichtungsteile sowie die Strömungsrichtung auf der Einströmseite. Die Strömungsrichtung am Ort des Anschlussbereichs auf der Einströmseite ist vorzugsweise die Strömungsrichtung des in den Durchströmungsraum tretenden Wärmeträgermediums und/ oder es ist darunter eine Strömungsrichtung parallel oder im Wesentlichen parallel zu der ersten und/ oder zweiten Wand des Wärmetauschers zu verstehen.
Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, eignet sich der beschriebene
Wärmetauscher vorzüglich für die Verwendung bei Hybrid-KoUektoren. Deshalb umfasst die Erfindung auch einen Hybrid-Kollektor mit einem
Photovoltaik-Element und einem Wärmetauscher wie er in diesem Dokument beschrieben ist.
Der Hybrid-Kollektor zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, dass das
Photovoltaik-Element auf dem Wärmetauscher angeordnet und mit diesem thermisch verbunden ist.
Wenn der Wärmetauscher bzw. die genannten Wärmetauscherwände im
Wesentlichen ebenflächig ausgebildet sind, eignet er sich besonders zur
Aufnahme einer photovoltaischen Schicht. Solche Wärmetauscher weisen im Wesentlichen auf ihrer gesamten Oberfläche die gleiche Temperatur auf, da die Wände in direktem Kontakt mit dem Wärmetransportmedium stehen. Daher eignen sie sich besonders zur flächigen Kühlung von Photovoltaik-Schichten. Insbesondere wenn die photovoltaische Schicht auf die Wärmetauscheroberfläche aufgebracht ist, kann ein solches Element in einem Vakuumrohr angeordnet sein. Dadurch kann der Wärmeverlust vermindert werden.
In einer Ausführungsform ist die photovoltaische Schicht zusammen mit einem Träger der photovoltaischen Schicht in einem Abstand zum Wärmetauscher angeordnet. Dies erlaubt die Verwendung von kristallinen Zellen mit hohem Wirkungsgrad und einer Vielzahl von unterschiedlichen handelsüblichen photovoltaischen Elementen. Eine photovoltaische Schicht (z.B. in der Form einer Folie) kann nicht nur mit einem thermisch leitenden Kleber direkt auf den Wärmetauscher geklebt sein, sondern auch mit Abstand zum Wärmetauscher hinter einem Träger (z.B. einer Glasscheibe) angeordnet sein. In letzterem Fall ist die Schicht vorteilhaft mit dem Träger verklebt.
Bei Sonnenwärmekollektoren sind in der Regel teure Solarglas- Abdeckscheiben vorzusehen. Ohne Abdeckscheiben entsteht kein Treibhauseffekt und sind die zu erreichenden Kollektortemperaturen wesentlich niedriger als mit einer
Abdeckscheibe.
Als Abdeckscheibe wird daher vorgeschlagen, eine photovoltaische Schicht auf einem Träger mit Abstand vor dem Wärmekollektor anzubringen. Alternativ wird vorgeschlagen, eine photovoltaische Schicht (z.B. in Form einer Folie) direkt auf den Wärmetauscher anzubringen.
Falls die photovoltaische Schicht keine oder lediglich eine schlechte thermische Verbindung zum Wärmetauscher aufweist, ist eine möglichst hohe
Wärmedurchlässigkeit des Photovoltaik-Elements anzustreben. Andererseits erlaubt eine wärmeleitfähige Verbindung zwischen Photovoltaik-Element und Wärmetauscher eine Verwendung von Wärmestrahlung-sammelnden
Photovoltaik-Elementen. Die möglichst direkte Kühlung des
Photovoltaik-Elements mit dem Wärmetauscherelement bewirkt eine Erhöhung des Wirkungsgrades des photovoltaischen Elements. Die Bestückung des
Wärmetauschers mit einem photovoltaischen Element erhöht den Energiegewinn des Wärmetauschers auf derselben Fläche praktisch um die gesamte gewonnene elektrische Energie.
Besonders bevorzugt ist es, wenn vor dem Photovoltaik-Element und/ oder vor der photovoltaischen Schicht eine transparente Abdeckung (insbesondere eine Glasscheibe oder Solarglasscheibe) angeordnet ist, wobei zwischen dem
Photovoltaik-Element und der transparenten Abdeckung ein Abstand vorgesehen ist. Der Abstand beträgt mit Vorteil 1.5 bis 3.5 cm oder 2 bis 3 cm. Zwischen dem Photovoltaik-Element und der transparenten Abdeckung ist zweckmässigerweise ein Hohlraum, insbesondere ein mit Luft gefüllter Hohlraum vorgesehen. Die Höhe des Hohlraums kann dabei die für den Abstand zwischen
Photovoltaik-Element und Abdeckung genannten Masse aufweisen. Der
Hohlraum erstreckt sich vorzugsweise über mindestens 70, 80 oder 90 Prozent der Fläche des Photovoltaik-Elements oder er umfasst mindestens 70, 80 oder 90 Prozent des Raums zwischen Photovoltaik-Element und Abdeckung. Der
Hohlraum dient der Erzeugung des oben beschriebenen Treibhauseffekts.
Dadurch wird eine erhöhte thermische Wirkung erreicht, vor Allem im Winter. Die Abdeckung kann lösbar mit dem Photovoltaik-Element verbunden sein, d.h. sie kann z.B. im Sommer abgenommen und vor Beginn des Winters montiert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform weist der Hybrid-Kollektor ein Gehäuse auf. Dieses beinhaltet mit Vorteil ein (vorzugsweise plattenförmiges)
Photovoltaik-Element auf der Oberseite, sowie Seitenwände und eine Rückwand. Besonders in heissen Gegenden kann es von Vorteil sein, wenn das Gehäuse nicht isoliert ist und/ oder keine Rückwand aufweist. Auf diese Weise kann der
Wärmetauscher auf beiden Seiten Wärme aufnehmen. Das Photovoltaik-Element ist vorzugsweise fest mit dem Gehäuse und/ oder den Seitenwänden verbunden. Der Wärmetauscher hingegen ist vorzugsweise nicht fest mit dem Gehäuse und/ oder dem Photovoltaik-Element verbunden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante ist der Wärmetauscher relativ zum Photovoltaik-Element und/ oder relativ zum Gehäuse (falls ein solches vorgesehen ist) beweglich oder verschiebbar ausgebildet. Wenn der
Wärmetauscher innerhalb des Gehäuses beweglich ist, hat dies den Vorteil, dass der Hybridkollektor (insbesondere, wenn er mit weiteren Hybrid-Kollektoren verbunden ist) keinen Schaden erleidet, wenn Vibrationen oder eine
temperaturbedingte Verformung auftreten. Werden Vibrationen oder temperaturbedingte Verformungen auf andere Weise vermieden (z.B. durch Wahl der Materialien) ist eine solche Flexibilität natürlich nicht notwendig.
Das Photovoltaik-Element und der Wärmetauscher können in direktem Kontakt stehen. Vorteilhaft sind sie aber über eine Wärmeleitschicht verbunden, welche gasförmig, flüssig oder fest sein kann, wobei eine flüssige und insbesondere eine feste Form bevorzugt ist. Die Wärmeleitschicht ist vorzugsweise elektrisch isolierend. Sie kann vollflächig mit dem Wärmetauscher in Kontakt stehen; mit Vorteil bedeckt die Wärmeleitschicht mindestens 70% oder mindestens 85% der Kontaktfläche zwischen Wärmetauscher und Photovoltaik-Element. Die
Wärmeleitschicht weist mit Vorteil die Form einer Folie auf. Es kann auch von Vorteil sein, die Wärmeleitschicht in Form von Streifen oder in Form eines Netzes auszubilden (Trocknung). Die Wärmeleitschicht kann neben der Wärmeleitfunktion zwei weitere wichtige Aufgaben erfüllen. Erstes kann sie Unebenheiten am Wärmetauscher oder am Photovoltaik-Element ausgleichen und so als mechanischer Schutz wirken. Bei Verformungen oder Bewegungen kommt es so nicht zur Schädigung des
Hybrid-Kollektors. Zweitens kann sie stromdurchflossene Teile der Apparatur von wasserdurchflossenen Teilen elektrisch isolieren.
Vorteilhaft ist es, wenn die Wärmeleitschicht eine Bewegung des Wärmetauschers relativ zum Photovoltaik-Element erlaubt. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dies zu gewährleisten. Nach einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist die Wärmeleitschicht aus einem Stoff gebildet, der bei Normaldruck und/ oder durch Drücke, wie sie in Hybrid-Kollektoren auftreten, elastisch oder plastisch verformbar ist. Besonders bevorzugt ist die Wärmeleitschicht aus einem (bei Raumtemperatur) fliessfähigen oder streichfesten Stoff gebildet, insbesondere kann es sich um eine Wärmeleitpaste handeln. Je nach Konstruktion des Hybrid- Kollektors könnten fliessfähige Stoffe bei einer wiederholten Bewegung der genannten Art verdrängt werden. Es kann deshalb bevorzugt sein, für die Wärmeleitschicht einen Stoff zu verwenden, der den Abstand zwischen
Wärmetauscher und Photovoltaik-Element konstant hält. Dieser besitzt
(insbesondere nach Aushärtung oder Trocknung) mit Vorteil eine definierte äussere Form. Es kann vorteilhaft sein, wenn es sich um einen gummielastischen Stoff handelt (z.B. ein Silikonelastomer etc).
Nach einer bevorzugten Ausgestaltungsform sind das Photovoltaik-Element und der Wärmetauscher in einem Gehäuse angeordnet, wobei das Rohr über eine Öffnung aus dem Gehäuse tritt und vorzugsweise relativ zur Öffnung beweglich ausgebildet ist. Die Öffnung weist zu diesem Zweck vorzugsweise einen grösseren Durchmesser auf als der Aussendurchmesser des Rohres. Sie kann rund sein oder als ein Schlitz ausgebildet sein, der sich bis zum Rand der Gehäusewand erstreckt. Das Photovoltaik-Element weist mit Vorteil eine Steuerungselektronik auf. Diese beinhaltet vorzugsweise einen Schalter zur elektrischen Trennung des
Photovoltaik-Elements vom Stromnetz und/ oder von einem oder mehreren weiteren Hybrid-Kollektoren. Der Schalter ist bevorzugt kabellos betätigbar, z.B. über Funkwellen bzw. Radiowellen. Die Photovoltaik-Elemente sind
vorzugsweise einzeln, in Gruppen oder gesamthaft abschaltbar, was im Falle eines Brandes von Vorteil ist, da Löscharbeiten so gefahrlos durchgeführt werden können.
Weiterhin erstreckt sich das Photovoltaik-Element bevorzugt über die
Einströmseite und/oder die Ausströmseite des Wärmetauschers hinaus.
Vorzugsweise erstreckt sich das Photovoltaik-Element über das Rohr und/ oder das zweite Rohr hinaus. Auf der dem Wärmetauscher zugewandten Seite des überstehenden Teils des Photovoltaik-Elements ist vorzugsweise die
Steuerungselektronik und/ oder eine Junction-Box (Verteilerdose) angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, die Verbindung zwischen den Photovoltaik-Elementen über deren Oberflächen herzustellen. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Anlage mit mehreren der genannten Wärmetauscher oder mit mehreren der beschriebenen Hybrid-Kollektoren, welche miteinander verbunden sind. Vorzugsweise sind sie in Serie miteinander verbunden, wobei das Rohr eines Wärmetauschers oder Hybrid-Kollektors jeweils mit dem Rohr eines benachbarten Wärmetauschers oder Hybrid-Kollektors verbunden ist. Das Gleiche gilt für das zweite Rohr.
Es seien offenbart:
1. ) Ein Wärmetauscher, insbesondere für einen Hybrid-Kollektor, wobei
- der Wärmetauscher einen Durchströmungsraum für ein Wärmeträgermedium aufweist,
- der Durchströmungsraum eine Einströmseite und eine Ausströmseite aufweist, wobei der Durchströmungsraum entlang der Ausströmseite über einen
Anschlussbereich mit einem Rohr verbunden ist, und
- der Anschlussbereich durch eine oder mehrere Öffnungen gebildet ist, wobei
- die durch den Durchströmungsraum definierte Strömungsrichtung des
Wärmeträgermediums am Ort des Anschlussbereichs und die Tangentialebene an das Rohr am Ort des Anschlussbereichs in einem Winkel von weniger als 75° zueinander angeordnet sind.
2. ) Ein Wärmetauscher nach 1.), wobei
- der Durchströmungsraum auf der Oberseite und der Unterseite durch zwei parallel und in einem Abstand von weniger als 5 mm voneinander angeordnete Wände begrenzt ist, welche vorzugsweise aus Kupferblechen bestehen,
- die Wände an einer Vielzahl über die Wände verteilten Stellen durch
Verformung ineinander verzahnt sind,
- der Durchströmungsraum an den sich zwischen der Einströmseite und der Ausströmseite erstreckenden Seiten geschlossen ausgebildet ist, - der Durchströmungsraum einen zusammenhängenden Hohlraum bildet, der sich in Strömungsrichtung von der Einströmseite bis zur Ausströmseite und quer zur Strömungsrichtung bis zu den geschlossenen Seiten erstreckt,
- die Wände mit dem Rohr verbunden sind oder das Rohr bilden, wobei die durch die erste Wand definierte Ebene tangential am Rohr anliegt und wobei das Rohr einen Durchmesser von mehr als 10 mm aufweist, und
- ein Photovoltaik Element auf der ersten Wand angeordnet und mit dieser thermisch verbunden ist.
3. ) Ein Wärmetauscher nach 1.), wobei
- der Durchströmungsraum entlang der Einströmseite über einen zweiten
Anschlussbereich mit einem zweiten Rohr verbunden ist,
- der zweite Anschlussbereich durch eine oder mehrere Öffnungen gebildet ist, und
- die durch den Durchströmungsraum definierte Strömungsrichtung des
Wärmeträgermediums am Ort des zweiten Anschlussbereichs und die
Tangentialebene an das Rohr am Ort des zweiten Anschlussbereichs in einem Winkel von weniger als 75° zueinander angeordnet sind.
4. ) Ein Wärmetauscher nach 1.) oder 3.), wobei der Durchströmungsraum durch eine erste und eine zweite Wand gebildet ist, welche einander
gegenüberliegend angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Wand kleiner ist als der Radius des Rohrs und vorzugsweise zwischen 0.5 und 10 mm, insbesondere zwischen 1 und 5 mm und besonders bevorzugt zwischen 1.5 und 3.5 mm beträgt und wobei die Wände vorzugsweise aus Kupferblechen bestehen.
5.)Wärmetauscher nach 4.), wobei die erste und die zweite Wand an einer
Vielzahl über die Wände verteilten Stellen durch Verformung ineinander verzahnt sind, wobei die Verformungen vorzugsweise rund ausgebildet sind.
6.) Ein Wärmetauscher nach 4.) oder 5.), wobei die durch die erste und/ oder die zweite Wand definierte Ebene und die Tangentialebene an das Rohr am Ort des Anschlussbereichs in einem Winkel von weniger als 75° zueinander
angeordnet sind, wobei die erste Wand vorzugsweise tangential am Rohr anliegt. 7. ) Ein Wärmetauscher nach 4.), 5.) oder 6.), wobei das Rohr durch die erste und/ oder die zweite Wand gebildet ist.
8. ) Ein Hybrid-Kollektor mit einem Photovoltaik Element und einem
Wärmetauscher nach einem der Punkte 1.) bis 7.).
9.) Ein Hybrid-Kollektor nach 8.), wobei das Photovoltaik Element auf dem
Wärmetauscher angeordnet und mit diesem thermisch verbunden ist, wobei der Wärmetauscher vorzugsweise relativ zum Photovoltaik Element verschiebbar ist.
10. ) Ein Hybrid-Kollektor nach 8.) oder 9.), wobei das Photovoltaik Element und der Wärmetauscher über eine Wärmeleitschicht verbunden sind, wobei es sich bei der Wärmeleitschicht vorzugsweise um eine Wärmeleitpaste handelt.
11. ) Ein Hybrid Kollektor nach 8.), 9.) oder 10.), wobei sich das Photovoltaik Element über die Einströmseite und/ oder die Ausströmseite des Wärmetauschers hinaus erstreckt, wobei auf der dem Wärmetauscher zugewandten Seite des überstehenden Teils des Photovoltaik Elements vorzugsweise eine
Steuerungselektronik angeordnet ist.
12. ) Ein Hybrid Kollektor nach einem der Punkte 8.) bis 11.), wobei das Photovoltaik Element und der Wärmetauscher in einem Gehäuse angeordnet sind, wobei das Rohr des Wärmetauschers über eine Öffnung aus dem Gehäuse tritt und relativ zur Öffnung beweglich ausgebildet ist, wobei es bevorzugt ist, wenn die Öffnung zu diesem Zweck einen grösseren Durchmesser aufweist als der Aussendurchmesser des Rohres.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen in schematischer, nicht massstabsgetreuer Darstellung:
Fig. l einen Teil eines Wärmetauschers am Übergang zwischen
Durchströmungsraum und Rohr (Ausströmseite);
Fig. 2a eine Draufsicht auf den Wärmetauscher;
Fig. 2b eine Seitenansicht des Wärmetauschers aus Fig.2a;
Fig. 3a eine Draufsicht auf einen Hybrid-Kollektor; Fig.3b eine Seitenansicht des Hybrid-Kollektors aus Fig. 3a;
Fig.4 eine Draufsicht auf zwei miteinander verbundene
Hybrid-Kollektoren;
Fig.5a eine perspektivische Ansicht eines Hybrid-Kollektors; und
Fig.5b den in Fig.5a umkreisten Ausschnitt des Hybrid-Kollektors.
Ausführung der Erfindung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielhaft erläutert.
Die Fig. 1 zeigt die Ausströmseite 17 eines erfindungsgemässen Wärmetauschers 11, wobei die Einströmseite in Bezug auf die beschriebenen Komponenten mit Vorteil gleich aufgebaut ist. Dargestellt ist ein Durchströmungsraum 13, welcher von einem Wärmeträgermedium wie Wasser durchflössen wird. Das
Wärmeträgermedium tritt an der Einströmseite (nicht gezeigt) in den
Durchströmungsraum 13 ein und verlässt diesen auf der Ausströmseite 17.
Letztere steht über einen Anschlussbereich 19 in Strömungsverbindung mit einem Rohr 21, durch welches das Wärmeträgermedium abtransportiert wird. Der Durchströmungsraum 13 ist an der Oberseite durch eine erste Wand 43 und an der Unterseite durch eine zweite Wand 45 begrenzt, welche mit Vorteil aus
Kupferblech gefertigt sind. Der Durchströmungsraum 13 gibt durch seine Form die Strömungsrichtung 25 des Wärmeträgermediums vor. Es wurde gefunden, dass durch die gezeigte Anordnung und Form des Wärmetauschers 11 eine substanzielle Verminderung des Druckverlusts zwischen Einströmseite und Ausströmseite 17 erreicht werden kann, was es ermöglicht, eine grössere Anzahl solcher Wärmetauscher in Serie zu schalten. Ohne sich auf einen bestimmten Mechanismus einschränken zu wollen, wird angenommen, dass der verminderte Druckverlust dadurch erreicht wird, dass das Wärmeträgermedium über den Anschlussbereich 19 im Wesentlichen tangential in das Rohr 21 eintritt und dadurch im Rohr 21 eine gleichmässigere, gegebenenfalls spiralförmige, Strömung erzeugt wird. Konstruktiv wird dies im gezeigten Beispiel dadurch bewerkstelligt, dass der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Wand (43 und 45) kleiner als der Radius des Rohrs 21 ausgestaltet ist und die erste Wand 43 etwa tangential auf das Rohr 21 trifft. Der Winkel 29 zwischen der Strömungsrichtung 25 (bzw. der Richtung des Bewegungsvektors des Wärmeträgermediums) und einer Tangentialebene 27 am Ort des Anschlussbereichs 19 (d.h. am Übergang zwischen Durchströmungsraum 13 und Rohr 21) liegt somit zwischen 0° und 30°. Im gezeigten Beispiel ist das Rohr 21 durch die erste und die zweite Wand 43 und 45 gebildet. Die Wände 43 und 45 bilden hier jeweils etwa die Hälfte des Rohrkörpers und treffen etwa gegenüber des Anschlussbereichs 19 zusammen. Es ist ein Überstand 46 am Rohr vorgesehen, der die Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Wand 43 und 45 bildet und aus zwei parallel und in Kontakt miteinander angeordneten Teilen der Wände 43 und 45 besteht, die vorzugsweise miteinander verschweisst sind. Fig. 2b zeigt den Wärmetauscher 11 aus derselben Richtung wie Fig.l, mit dem Unterschied, dass der Wärmetauscher 11 in seiner gesamten Länge von der Einströmseite 15 bis zur Ausströmseite 17 dargestellt ist. Die Einströmseite 15 ist im Wesentlichen gleich ausgestaltet wie die Ausströmseite 17. Es ist ein zweites Rohr 33 vorhanden, welches dem Durchströmungsraum bzw. dessen
Einströmseite 15 über einen zweiten Anschlussbereich das Wärmeträgermedium zuführt.
Fig.2a zeigt den Wärmetauscher 11 in Draufsicht. Es sind wiederum die in Fig. 2b dargestellten Rohre 21 und 33 vorhanden, welche einander gegenüberliegend und vorzugsweise parallel angeordnet sind. Weiterhin ist zu erkennen, dass der
Wärmetauscher 11 eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweist und an zwei gegenüberliegenden Enden durch die Einströmseite 15 und die Ausströmseite 17 begrenzt wird. Die beiden zwischen der Einströmseite 15 und der Ausströmseite 17 verlaufenden, sich ebenfalls gegenüberliegenden Seiten 49 schliessen den Durchströmungsraum 13 ab. Es ist beispielsweise möglich, zu diesem Zweck die erste und die zweite Wand mittels verlöteter Fälze zu verbinden. Der durch die genannten vier Seiten begrenzte Durchströmungsraum bildet vorzugsweise einen zusammenhängenden Hohlraum. Die erste und die zweite Wand sind mittels einer Vielzahl über die Wände verteilte Verformungen 47 miteinander verzahnt. Dies ermöglicht eine hohe Druckresistenz und Dichtigkeit.
Fig.3a (Draufsicht) und Fig.3b (Seitenansicht) zeigen einen Hybrid-Kollektor 51, der ein Photovoitaik-Element 53 und einen Wärmetauscher 11, wie er vorgängig beschrieben wurde, aufweist. Das Photovoitaik-Element 53 ist hier zur besseren Illustration transparent dargestellt, womit der darunterliegende Wärmetauscher sichtbar wird. Dadurch, dass die erste Wand 43 des Wärmetauschers tangential auf die Rohre 21 und 33 trifft, stehen letztere nicht über die durch die erste Wand 43 definierte Kontaktebene mit dem Photovoitaik-Element vor. Deshalb kann das Photovoitaik-Element 53 sich über die Rohre 21 und 33 und/ oder über den Wärmetauscher hinaus erstrecken. Dies ermöglicht eine überaus platzsparende (insbesondere flache) Bauweise des Hybrid-Kollektors 51. Beispielsweise kann auf dem überstehenden Teil der dem Wärmetauscher zugewandten Seite des
Photovoltaik-Elements die Steuerungselektronik für den Hybrid-Kollektor 51 angebracht sein. Der beschriebene Wärmetauscher eignet sich aufgrund seiner geringen Bauhöhe und seiner grossen planen Kontaktfläche besonders für die Anwendung in einem Hybrid-Kollektor. Mit Vorteil stehen mindestens 40%, 60% oder 70% der Unterseite des Photovoltaik-Elements in thermischem Kontakt mit der ersten Wand 43 des Wärmetauschers, wobei der Kontakt mit Vorteil über eine Wärmeleitpaste hergestellt wird. Dadurch ist es ermöglicht, dass der
Wärmetauscher parallel zum Photovoitaik-Element 53 beweglich bleibt. Dies ist wichtig, da das Gehäuse 55 vorzugsweise fest mit dem Photovoitaik-Element 53 verbunden ist. Wenn ein solches Gehäuse 55 auf einem Dach montiert wird, dürfen durch die Ausdehnung und das Zusammenziehen des Wärmetauschers aufgrund von Temperaturschwankungen keine Spannungen entstehen.
Vorzugsweise sind also der Wärmetauscher und das Photovoitaik-Element 53 und/ oder das Gehäuse 55 relativ zueinander beweglich. In Fig. 3b ist das Gehäuse 55 von der Seite gezeigt. Die dargestellten Öffnungen 57 für die Rohre 21 und 33 sind vorzugsweise grösser als der Querschnitt der Rohre 21 und 33. Der Abstand der Rohraussenseiten zum Rand der Öffnungen sollte mindestens 0.5 mm, vorzugsweise mindestens 2 mm betragen. Dies ermöglicht es, dass die Rohre 21 und 33 sich innerhalb der Öffnungen 57 bewegen können.
In Fig.4 sind zwei miteinander verbundene Hybrid-Kollektoren 51 in Draufsicht gezeigt. Die Rohre 33 für die Zuführung des Wärmeträgermediums der beiden Hybrid-Kollektoren 51 sind miteinander verbunden. Dasselbe gilt für die Rohre 21 für die Abführung des Wärmeträgermediums, wobei hier beispielhaft
Verbindungsmittel 59 zur dichten Verbindung der Rohre 21 eingezeichnet sind. Derartige Hybrid-Kollektoren 51 können in der gezeigten Weise in Reihe geschaltet und z.B. auf Gebäudedächern montiert werden.
Die Fig.5b zeigt den Aufbau eines Hybrid-Kollektors in einer perspektivischen Ansicht, wobei die einzelnen Teile zur besseren Illustration voneinander getrennt dargestellt sind. Fig.5a zeigt den in Fig.5b umkreisten Bereich vergrössert. Gezeigt sind die obere und untere Wand 43 und 45 des Wärmetauschers sowie die
Verformungen 47 über die die Wände 43 und 45 miteinander verbunden sind. Die obere Wand 43 trifft im Wesentlichen tangential auf das Rohr 21, und erstreckt sich um einen Teil des Rohrumfangs. Die zweite Wand 45 erstreckt sich ebenfalls teilweise um den Umfang des Rohres 21. Die Wände 43 und 45 umfangen das Rohr 21 also ganz oder teilweise (Stabilität, Dichtigkeit), vorzugsweise zu wenigstens der Hälfte seines Umfangs. Vorzugsweise sind die Wände 43 und 45 dazu rinnenförmig in Form gezogen oder gepresst. Das Rohr 21 weist mit Vorteil Schlitze oder Bohrungen auf, die beim Befestigen des Rohrs 21 am Wärmetauscher 11 auf der Ausströmseite 17 des Durchströmungsraums 13 bzw. am Eintritt zum Durchströmungsraum 13 positioniert werden (Öffnungen des Anschlussbereichs), damit eine Strömungsverbindung zwischen Rohr 21 und Durchströmungsraum 13 gewährleistet ist. Die Konstruktion auf der anderen Seite, d.h. beim Rohr 33 ist gleich, wie der Fig.5a entnommen werden kann. Das Photovoltaik-Element 53 ist flächig mit der oberen bzw. ersten Wand 43 des Wärmetauschers verbunden. Die Kontaktfläche beträgt mit Vorteil mindestens 40%, insbesondere mindestens 60% der Fläche der ersten Wand 43 des Wärmetauschers. Sind z.B. auch die
Verformungen 47 mit Wärmeleitpaste gefüllt, so kann die Kontaktfläche über 80% der Fläche der ersten Wand 43 betragen. Weiterhin sind in Fig.5a und 5b die einzelnen Teile des Gehäuses 55 dargestellt, sowie die auf der Seitenwand vorgesehenen Öffnungen 57 für die Rohre 21 und 33.
Bezugszeichenliste:
11 Wärmetauscher
13 Durchströmungsraum
15 Einströmseite
17 Ausströmseite
19 Anschlussbereich
21 Rohr
25 Strömungsrichtung (Ausströmseite)
27 Tangentialebene am Ort des Anschlussbereichs (Ausströmseite)
29 Winkel zwischen 25 und 27
33 zweites Rohr
43 erste Wand
45 zweite Wand
46 Überstand
47 Verformungen
49 geschlossene Seiten
51 Hybrid-Kollektor
53 Photovoltaik-Element
55 Gehäuse
57 Öffnung des Gehäuses
59 Verbindungsmittel

Claims

Patentansprüche
1. Hybrid-Kollektor mit einem Photovoltaik-Element (53) und einem
Wärmetauscher (11), wobei
- der Wärmetauscher (11) einen Durchströmungsraum (13) für ein
Wärmeträgermedium aufweist,
- der Durchströmungsraum (13) eine Einströmseite (15) und eine
Ausströmseite (17) aufweist, wobei der Durchströmungsraum (13) entlang der Ausströmseite (17) über einen Anschlussbereich (19) mit einem Rohr (21) verbunden ist, und
- der Anschlussbereich (19) durch eine oder mehrere Öffnungen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- die durch den Durchströmungsraum (13) definierte Strömungsrichtung (25) des Wärmeträgermediums am Ort des Anschlussbereichs (19) und die Tangentialebene (27) an das Rohr (21) am Ort des Anschlussbereichs (19) in einem Winkel (29) von weniger als 75° zueinander angeordnet sind.
2. Hybrid-Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Durchströmungsraum (13) auf der Oberseite und der Unterseite durch zwei parallel und in einem Abstand von weniger als 5 mm voneinander angeordnete Wände (43, 45) begrenzt ist, welche vorzugsweise aus
Kupferblechen bestehen,
- die Wände (43, 45) an einer Vielzahl über die Wände (43, 45) verteilten Stellen durch Verformung (47) ineinander verzahnt sind,
- der Durchströmungsraum (13) an den sich zwischen der Einströmseite (15) und der Ausströmseite (17) erstreckenden Seiten (49) geschlossen ausgebildet ist,
- der Durchströmungsraum (13) einen zusammenhängenden Hohlraum bildet, der sich in Strömungsrichtung von der Einströmseite (15) bis zur Ausströmseite (17) und quer zur Strömungsrichtung (25) bis zu den geschlossenen Seiten (49) erstreckt,
- die Wände (43, 45) mit dem Rohr (21) verbunden sind oder das Rohr (21) bilden, wobei die durch eine erste Wand (43) definierte Ebene tangential am Rohr (21) anliegt und wobei das Rohr (21) einen Durchmesser von mehr als 10 mm aufweist,
- das Photovoltaik-Element (53) auf der ersten Wand (43) angeordnet und mit dieser thermisch verbunden ist, wobei der Wärmetauscher (11) relativ zum Photovoltaik-Element (53) verschiebbar ist, und
- das Photovoltaik-Element (53) und der Wärmetauscher (11) in einem Gehäuse (55) angeordnet sind, wobei das Rohr (21) des Wärmetauschers über eine Öffnung (57) aus dem Gehäuse (55) tritt.
Hybrid-Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Durchströmungsraum (13) entlang der Einströmseite (15) über einen zweiten Anschlussbereich mit einem zweiten Rohr (33) verbunden ist,
- der zweite Anschlussbereich durch eine oder mehrere Öffnungen gebildet ist, und
- die durch den Durchströmungsraum (13) definierte Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums am Ort des zweiten Anschlussbereichs und die Tangentialebene an das Rohr (33) am Ort des zweiten Anschlussbereichs in einem Winkel von weniger als 75° zueinander angeordnet sind.
Hybrid-Kollektor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchströmungsraum (13) durch eine erste und eine zweite Wand (43, 45) gebildet ist, welche einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Wand (43, 45) kleiner ist als der Radius des Rohrs (21) und zwischen 0.5 und 10 mm beträgt und wobei die Wände (43, 45) aus Metall gefertigt sind.
5. Hybrid-Kollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Wand (43, 45) an einer Vielzahl über die Wände verteilten Stellen durch Verformung (47) ineinander verzahnt sind.
6. Hybrid-Kollektor nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die durch die erste und/ oder die zweite Wand (43, 45) definierte Ebene und die Tangentialebene (27) an das Rohr (21) am Ort des Anschlussbereichs (19) in einem Winkel von weniger als 75° zueinander angeordnet sind.
7. Hybrid-Kollektor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass das Rohr durch die erste und/ oder die zweite Wand gebildet ist.
Hybrid-Kollektor nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaik-Element (53) auf dem
Wärmetauscher (11) angeordnet und mit diesem thermisch verbunden ist, wobei der Wärmetauscher (11) relativ zum Photovoltaik-Element (53) verschiebbar ist.
Hybrid-Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass das Photovoltaik-Element (53) und der
Wärmetauscher (11) über eine Wärmeleitschicht verbunden sind.
Hybrid-Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass sich das Photovoltaik-Element (53) über die
Einströmseite (15) und/oder die Ausströmseite (17) des Wärmetauschers (11) hinaus erstreckt. 11. Hybrid-Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass das Photovoltaik-Element (53) und der Wärmetauscher (11) in einem Gehäuse (55) angeordnet sind, wobei das Rohr (21) des Wärmetauschers über eine Öffnung (57) aus dem Gehäuse (55) tritt und relativ zur Öffnung (57) beweglich ausgebildet ist.
Hybrid-Kollektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (57) einen grösseren Durchmesser aufweist als der
Aussendurchmesser des Rohres (21).
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