DE102010019158B4 - solar collector - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen wird ein Solarkollektor (1) zur Erzeugung von photovoltaischer und thermischer Energie, der zwei übereinander angeordnete photovoltaische Kollektoren (3, 4) aufweist, die so zueinander verschiebbar sind, dass sie den thermischen Kollektor (2) ganz oder teilweise abdecken können (4).A solar collector (1) for generating photovoltaic and thermal energy is proposed, which has two photovoltaic collectors (3, 4) arranged one above the other, which can be displaced relative to one another in such a way that they can cover the thermal collector (2) completely or partially (4) ,
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft einen Solarkollektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb des Solarkollektors nach Anspruch 8.The invention relates to a solar collector according to the preamble of
Es sind grundsätzlich zwei Typen von Solarkollektoren bekannt: thermische Kollektoren zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme und photovoltaische Kollektoren zur Umwandlung der Sonnenstrahlung in elektrische Energie. In thermischen Sonnenkollektoren wird ein Wärmeträgermedium, beispielsweise eine Glykolwassermischung, mittels Sonnenstrahlung erwärmt und zu Heizzwecken oder zur Warmwassergewinnung verwendet.There are basically two types of solar collectors known: thermal collectors for converting solar radiation into heat and photovoltaic panels for converting solar radiation into electrical energy. In thermal solar collectors, a heat transfer medium, for example, a glycol water mixture, heated by solar radiation and used for heating purposes or for hot water production.
Photovoltaische Kollektormodule bestehen im allgemeinen aus einem flächenartigen Träger, auf welchem parallel beziehungsweise in Serie geschaltete Solarzellen angeordnet sind.Photovoltaic collector modules generally consist of a sheet-like support on which parallel or series-connected solar cells are arranged.
Des weiteren sind Solarkollektormodule bekannt, die beide Kollektortypen in einem Gehäuse kombinieren. Diese sandwichartig aufgebauten Solarkollektormodule weisen einen akzeptablen Wirkungsgrad auf, da das Wärmeträgermedium zugleich als Kühlmittel für die Solarzellen eingesetzt ist.Furthermore, solar collector modules are known which combine both collector types in one housing. These sandwich-mounted solar collector modules have an acceptable efficiency, since the heat transfer medium is also used as a coolant for the solar cells.
Bei derartigen Hybrid-Solarkollektoren sind photovoltaische und thermische Kollektoren in ein gemeinsames Kollektormodul integriert. Dabei ist ein Photovoltaikelement zur Gewinnung von elektrischer Energie und ein thermischer Absorber zur Gewinnung von thermischer Energie in einem gemeinsamen Gehäuse übereinander angeordnet, wobei das Photovoltaikelement auf einer dem Licht zugewandten Seite des Solarkollektors angeordnet ist, der thermische Absorber befindet sich auf der dem Licht abgewandten Seite. Die Rückseite des thermischen Kollektors zum Dach hin ist dabei häufig mit einer Wärmeisolierung in Form eines Schaumteils versehen. Die einzelnen Kollektormodule werden beispielsweise überlappend auf der Fassade oder dem Dach angeordnet, so dass sich eine geschlossene Kollektorfläche ergibt. Somit können beide Arten der Energiegewinnung gleichzeitig wirksam sein.In such hybrid solar collectors, photovoltaic and thermal collectors are integrated into a common collector module. In this case, a photovoltaic element for obtaining electrical energy and a thermal absorber for recovering thermal energy in a common housing is arranged one above the other, wherein the photovoltaic element is disposed on a side facing the light of the solar collector, the thermal absorber is located on the side facing away from the light , The back of the thermal collector towards the roof is often provided with a heat insulation in the form of a foam part. The individual collector modules are arranged, for example, overlapping on the facade or the roof, so that there is a closed collector surface. Thus, both ways of generating energy can be effective at the same time.
Bekannt ist ein Hybridkollektor (
Nachteilig an den bekannten Solarkollektoren ist, dass die bekannten Anordnungen von thermischen Kollektoren und Photovoltaikelementen zu keiner optimalen Ausnutzung der zu gewinnenden elektrischen und thermischen Energie führen. Dies ist hauptsächlich dadurch begründet, dass einerseits die Wärmespeicher, die durch die thermischen Kollektoren mit dem aufgeheizten Medium angefüllt werden, ab einer bestimmten Obergrenze der Aufheizung nicht weiter erwärmt werden sollen sowie dass der Wirkungsgrad der Fhotovoltaikelemente durch die Wärme der thermischen Absorber reduziert wird. Der Effizienzverlust von photovoltaischen Solarkollektoren bei zunehmender Aufheizung, der je nach Solarzelle bei 0,33% bis 0,50% pro °C liegt, muss durch aufwändige Maßnahmen verhindert werden. So muss die Temperatur der Solarzellen ab 70°C konstant gehalten werden.A disadvantage of the known solar collectors is that the known arrangements of thermal collectors and photovoltaic elements do not lead to optimal utilization of the electrical and thermal energy to be gained. This is mainly due to the fact that on the one hand the heat storage, which are filled by the thermal collectors with the heated medium, should not be heated from a certain upper limit of the heating and that the efficiency of the Fhotovoltaikelemente is reduced by the heat of the thermal absorber. The efficiency loss of photovoltaic solar collectors with increasing heating, which is depending on the solar cell at 0.33% to 0.50% per ° C, must be prevented by complex measures. For example, the temperature of the solar cells must be kept constant above 70 ° C.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Solarkollektor bereitzustellen, der eine optimale Ausbeute der thermisch generierten Energie als auch der elektrisch generierten Energie ermöglicht und somit der Wirkungsgrad des gesamten Hybridkollektors erhöht wird.Against this background, the invention has for its object to provide a solar collector, which allows optimal yield of thermally generated energy and the electrically generated energy and thus the efficiency of the entire hybrid collector is increased.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 8 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.This object is solved by the features of
Die Erfindung und ihre VorteileThe invention and its advantages
Die Erfindung gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs hat dahingegen den Vorteil, dass die photovoltaischen Kollektoren in zwei übereinander liegenden Ebenen über dem thermischen Kollektor angeordnet sind. Dabei sind die photovoltaischen Kollektoren zueinander beweglich ausgestaltet, so dass sie in verschiedenen Beschattungsstufen im Verhältnis der Abdeckung des thermischen Kollektors übereinander bzw. auseinander bewegbar sind, so lange, bis der thermische Kollektor vollständig mit photovoltaischen Kollektoren abgedeckt ist.The invention according to the features of the main claim, however, has the advantage that the photovoltaic panels are arranged in two superimposed planes above the thermal collector. In this case, the photovoltaic panels are designed to be movable relative to each other, so that they are movable in different shading levels in the ratio of the cover of the thermal collector one above the other or apart, until the thermal collector is completely covered with photovoltaic panels.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die photovoltaischen Kollektoren insbesondere dann in eine Lage nebeneinander bewegt, wenn die thermischen Kollektoren genügend Energie aufgenommen haben und die Wärmespeicher aufgefüllt sind. Dieser Vorgang erfolgt daher, nachdem das Medium in den thermischen Kollektoren eine bestimmte obere Grenztemperatur erreicht hat, da dann die Wärmemengenaufnahme des thermischen Kollektors gesenkt werden muss, um eine Überlastung der Wärmespeicher zu verhindern. Um die Energie der Sonnenbestrahlung in diesem Fall für die Stromgewinnung optimal auszunützen, wird die Fläche zur Stromgewinnung durch die Bewegung der photovoltaischen Kollektoren in eine Position nebeneinander verdoppelt.According to an advantageous embodiment of the invention, the photovoltaic panels are moved in particular in a position next to each other when the thermal collectors have absorbed enough energy and the heat storage are filled. This process therefore takes place after the medium in the thermal collectors has reached a certain upper limit temperature, since then the heat quantity absorption of the thermal collector must be lowered in order to prevent overloading of the heat storage. For the energy of sunlight in this case for To optimally utilize the power generation, the area for generating electricity is doubled by the movement of the photovoltaic panels in a position next to each other.
Dabei können die beiden übereinander angeordneten photovoltaischen Kollektoren beispielsweise jeweils mit entsprechend zueinander angeordneten Zahnschienen ausgestaltet sein, wobei die Verschieblichkeit gegeneinander über ein Zahnrad erfolgt. Der Antrieb des Zahnrads erfolgt über einen Motor. In einer anderen Ausgestaltung ist einer der beiden photovoltaischen Kollektoren, beispielsweise derjenige, der auf der dem Licht zugewandten Seite angeordnet ist, zweiteilig ausgestaltet. Dabei weisen die beiden Teile des photovoltaischen Kollektors jeweils Zahnschienen auf, die mittels eines Zahnrades zueinander bzw. wieder auseinander bewegt werden können und damit ermöglicht wird, dass die gesamte Oberfläche des Solarkollektors der Gewinnung elektrischer Energie dient. Somit wird eine Verschattung des thermischen Kollektors herbeigeführt, wodurch wiederum eine Übererwämung des Wärmespeichers und eine Übererwärmung des thermischen Kollektors vermieden wird. Jegliche andere Art der Verschieblichkeit über Schienen, Schlitten, Gleitsysteme etc. ist ebenfalls denkbar.In this case, the two photovoltaic collectors arranged one above the other can be designed, for example, in each case with toothed rails arranged corresponding to one another, the displaceability being effected by way of a toothed wheel. The gear is driven by a motor. In another embodiment, one of the two photovoltaic collectors, for example, the one which is arranged on the side facing the light, designed in two parts. In this case, the two parts of the photovoltaic collector each tooth rails, which can be moved apart by means of a gear to each other or again and thus is made possible that the entire surface of the solar collector of the recovery of electrical energy is used. Thus, a shading of the thermal collector is brought about, which in turn is avoided Übererwämung the heat accumulator and overheating of the thermal collector. Any other type of mobility on rails, slides, sliding systems, etc. is also conceivable.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die photovoltaischen Kollektoren auf einer Dachschräge beispielsweise derart angeordnet, dass durch das Eigengewicht der einen photovoltaischen Kollektorebene, die sich aufgrund der Schwerkraft nach unten bewegt, der Motor zum Antrieb der anderen Kollektorschicht nach oben in Richtung des Dachfirstes entlastet wird, da die eine Kollektorschicht die andere in einer gegenläufigen Bewegung unterstützt und somit eine kleinere Motorleistung ausreichend ist. Dieser Effekt kann ebenso in der Ausgestaltung genützt werden, in der die eine photovoltaische Schicht ortsfest an der gleichen Stelle verbleibt und die zweite phovoltaische. Schicht durch Führungen und bewegliche Vorrichtungen relativ zur ersten Schicht verschiebbar ist. Insbesondere in der Ausgestaltung, in der eine der beiden photovoltaischen Kollektorschichten zweiteilig ausgestaltet ist und die beiden Teile dieser Schicht auseinander- und aufeinander zu bewegt werden können, kann die an der Dachschräge wirkende Schwerkraft ebenfalls den Antriebsmotor entlasten.According to a further advantageous embodiment of the invention, the photovoltaic panels are arranged on a sloping roof, for example, such that relieved by the weight of a photovoltaic collector plane, which moves downwards due to gravity, the motor to drive the other collector layer upwards in the direction of the roof ridge is because one collector layer supports the other in an opposite movement and thus a smaller engine power is sufficient. This effect can also be used in the embodiment in which one photovoltaic layer remains stationary at the same location and the second is phovoltaic. Layer is displaceable by guides and movable devices relative to the first layer. In particular, in the embodiment in which one of the two photovoltaic collector layers is configured in two parts and the two parts of this layer can be moved apart and each other, the force acting on the roof slope gravity can also relieve the drive motor.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt das Gewicht der einzelnen photovoltaischen Module zwischen 3,5 und 5 kg, dies ermöglicht einen besonders effektiven Einsatz des Antriebs zur gegeneinander laufenden Bewegung der Module im Verhältnis zur Erhöhung der Energiegewinnung durch die Anordnung der Module nebeneinander.According to a further advantageous embodiment of the invention, the weight of the individual photovoltaic modules is between 3.5 and 5 kg, this allows a particularly effective use of the drive for mutually ongoing movement of the modules in relation to increasing the energy production by the arrangement of modules side by side.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Module wird eine Erhöhung des Wirkungsgrads des gesamten Solarkollektors erreicht, da der Effekt der Kühlung der photovoltaischen Module durch den thermischen Kollektor auf alle photovoltaischen Module wirksam ist. Dies gewährleistet eine effiziente Energieausbeute.The inventive arrangement of the modules, an increase in the efficiency of the entire solar collector is achieved because the effect of cooling the photovoltaic modules by the thermal collector is effective on all photovoltaic modules. This ensures an efficient energy yield.
Die Kollektoren können in verschiedenen Größen hergestellt und der Größe beispielsweise des Daches, auf dem sie angeordnet werden sollen, angepaßt werden.The collectors can be made in different sizes and adapted to the size of, for example, the roof on which they are to be placed.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar.Further advantages and advantageous embodiments of the invention are the following description, the drawings and claims removed.
Zeichnungendrawings
In
In
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In
In
In
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All in the description, the following claims and the drawings illustrated features may be essential to the invention both individually and in any combination.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Solarkollektorsolar collector
- 22
- thermischer Kollektorthermal collector
- 33
-
erster photovoltaischer Kollektor,
3a erster Teil;3b zweiter Teil des ersten photovoltaischen Kollektorsfirst photovoltaic collector,3a first part;3b second part of the first photovoltaic collector - 44
- zweiter photovoltaischer Kollektorsecond photovoltaic collector
- 55
- Solarzellesolar cell
- 66
- erste Zahnschienefirst dental splint
- 77
- zweite Zahnschienesecond toothed rail
- 88th
- Zahnradgear
- 99
- Solarzellenstringsolar string
- 1010
- Trägercarrier
- 1111
- Motorengine
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