CH702438A1 - System und Verfahren für ein Hybridsystem zur Umwandlung von Solarstrahlung in elektrischen Strom und Wärme. - Google Patents

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Umwandeln von Solarstrahlung in elektrische Energie mittels einer photovoltaischen Solarzelle ist die Solarzelle (11) wärmeleitend mit einem Wärmetransportmedium (3) verbunden, um die in der Zelle in Wärme umgewandelte Solarstrahlung wenigstens teilweise abzuführen.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft ein System zur Verwertung der Solarstrahlung mit gleichzeitiger Produktion- von Strom aus photovoltaischen Solarzellen und von Wärmewasser. Solarstrahlung ist eine Energieform, die mehrheitlich im rel. kurzwelligen Frequenzbereich von weniger als 2 Mikrometer Wellenlänge auf der Erdoberfläche auftritt. Die Energie der Solarstrahlung kann teilweise in elektrischen Strom oder auch teilweise in Wärmeenergie umgewandelt werden. In beiden Prozessen der Energieumwandlung wird die Energie der Photonen der Solarstrahlung teilweise durch einen festen Körper absorbiert. In der Photovoltaischen Zelle wird ein möglichst hoher Energieanteil der Photonen direkt in einen elektrischen Energiestrom umgewandelt.

[0002] Der Anteil absorbierter Strahlungsenergie kann nicht zu 100% in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Rest wird in thermische Energie gewandelt, die aus der photovoltaischen Schicht abgeführt werden muss, um deren Leistungsfähigkeit zu erhalten. Da der photovoltaische Effekt von der Temperatur der absorbierenden Schicht abhängt (höhere Temperaturen vermindern den elektrischen Wirkungsgrad), muss die Wärme bei relativ tiefer Temperatur aus der photovoltaischen Zelle abgeführt werden.

[0003] Die photovoltaische Schicht ist sehr dünn und muss aus Festigungsgründen mechanisch an bzw. auf einer Tragplatte fixiert werden, die die verschiedenen Kräfte auf die Fläche aufnimmt und an eine Tragstruktur überträgt, die ihrerseits fest mit der Erde verbunden ist. Das Element bestehend aus der photovoltaischen Schicht und der kraftübertragenden Tragplatte unter der photovoltaischen Schicht wird als Solarpaneel bezeichnet.

[0004] Bestehende bzw. bekannte Systeme zur Verwertung der aus photovoltaischen Zellen abzuführender Wärme sind meistens darauf ausgerichtet, die Wärme bei möglichst hohen Temperaturen und möglichst grossflächig direkt hinter der absorbierenden Schicht auszukoppeln. Dadurch ergeben sich aufwendige Paneel-Konstruktionen.

[0005] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung hat zum Ziel, die in herkömmlichen Solarpaneelen anfallende Wärme mit einer einfachen Zusatzeinrichtung abführen zu können. Dabei steht nicht die Temperatur des abgeführten Wärmestroms im Vordergrund sondern viel mehr die Wärmemenge.

[0006] Aus diesem Grund wird erfindungsgemäss vorgeschlagen auf die vollflächige thermische Kontaktierung zu verzichten. Die kraftübertragende Tragplatte des Solarpaneels übernimmt auch die wärmeübertragende Funktion an die erfindungsgemässe Einrichtung zur Auskoppelung der Wärme. Typischerweise bedeckt die erfindungsgemässe Einrichtung weniger als 100% der Paneelfläche, ein Wert in Abwägung des energetischen Wirkungsgrades und des konstruktiven Aufwandes bzw. der Kosten.

[0007] Die Aufgabe wird gelöst durch ein System mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie den weiteren, daraus abgeleiteten und abhängigen Ansprüchen, den Beschreibungen und den Zeichnungen.

[0008] Die erfindungsgemässe Wärmeabfuhreinrichtung besteht aus einer Wärme-Übertragungsplatte und einem an diese Platte thermisch leitend verbundenen Wärmetransportrohr, durch das ein Wärmeträgermedium fliesst.

[0009] Die Wärmeübertragungsplatte ist flächig mit dem Solarpaneel thermisch leitend verbunden. Das Wärmetransportrohr kann an den Enden der Wärmeabfuhreinrichtung zu einem kreisrunden Rohr ausgebildet sein, sodass weitere Solarpaneele oder an ein Wärmeträgermedium Zu-, resp. Rückleitung angeschlossen werden können (dargestellt in Fig. 6, Schnitt B).

[0010] Das Rohrstück auf der Wärmeübertragungsplatte kann eine andere als die kreisrunde Form annehmen (dargestellt in Fig. 6, Schnitt A). Das Wärmetransportrohr soll eine möglichst grosse Wärmeübergangsfläche zu der Wärmeübertragungsplatte besitzen. In einem ununterbrochenen Rohrabschnitt können auch die Verbindungsstücke von einer Wärmeübertragungsplatte zu der nächsten enthalten sein (dargestellt in Fig. 1). In einem unten dargestellten oder entsprechend passenden Herstellungsverfahren kann das Rohr dementsprechend geformt werden.

[0011] Durch die Veränderung des Massenflusses des Wärmeträgermediums kann die Temperatur der abgeführten Wärme beeinflusst werden. Bei höherer Temperatur der Wärme sinkt zwar der elektrische Wirkungsgrad der photovoltaischen Schicht, der Exergieanteil im Wärmestrom nimmt aber zu, was zu einem höheren Coefficient of Performance der Wärmepumpe führt, die dem Wärmekreislauf Wärme entzieht und auf eine höhere Temperatur transformiert. Der exergetische Gesamtwirkungsgrad des Systems bestehend aus dem Solarpaneel, der Wärmeabfuhreinrichtung, dem Wärmetransportsystem und einer Wärmepumpe kann dadurch optimiert werden.

[0012] Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Auskoppelung der Wärme aus einem Solarpaneel ist so ausgestaltet, dass sie mit kleinem Aufwand an ein handelsübliches Solarpaneel mit kleinem Aufwand angebracht werden kann, und dass die Funktionalität des Solarpaneels in keiner Art und Weise reduziert oder beeinträchtigt wird. Dies ist von besonderer Bedeutung in Bezug auf Kräfte und anderen unerwünschten Prozessen, die z.B. aus unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder Deformationen infolge Windkräften oder Entstehung von Kondensat etc. entstehen können.

[0013] Das erfindungsgemässe System zur Abfuhr von Wärme aus einem Elektrizität produzierenden Solarpaneel umfasst eine Wärmeabfuhreinrichtung und ein Befestigungssystem, das gewährleistet, dass die Wärmeabfuhreinrichtung thermisch leitend und kraftschliessend aber nicht starr mit dem Solarpaneel verbunden werden kann.

[0014] Das erfindungsgemässe System ermöglicht es, die aus dem Paneel abzuführende Wärme durch Wärmeleitung aus der photovoltaischen Schicht in die Wärmeabfuhreinrichtung zu übertragen, in dem die Wärme einem Wärmetransportmedium übergeben und daraus abtransportiert werden kann.

[0015] Das erfindungsgemässe System ermöglicht es, dem Paneel aus einer Wärmequelle Wärme zuzuführen, um z.B. Schnee und Eis abzutauen bzw. vom Paneel abrutschen zu lassen.

[0016] Das erfindungsgemässe System ermöglicht es, Solarpaneele rückseitig wärmegedämmt auszuführen, da die abzuführende Wärme mittels der Wärmeabfuhreinrichtung ausgekoppelt wird.

[0017] Das erfindungsgemässe System ermöglicht es, Solarpaneele frontseitig mit einer für die Solarstrahlung transparenten Haut zu versehen, um die Auskühlung gegen vorne zu begrenzen, da die photovoltaische Schicht durch die Wärmeabfuhreinrichtung Wärme an den Wärmekreislauf abgeben kann.

[0018] Das erfindungsgemässe System ermöglicht es, die Solarpaneele frontseitig mit konzentrierter Solarstrahlung hoher Strahlungsleistung zu bestrahlen, da durch die rückwärtige Wärmeabfuhreinrichtung die für das Solarpaneel schädliche Temperaturerhöhung begrenzt werden kann.

[0019] Das erfindungsgemässe System ermöglicht es, die Temperatur der abgeführten Wärme zu regulieren und dadurch den exergetischen Gesamtwirkungsgrad eines Systems zu optimieren, das aus mindestens einem Solarpaneel, einer erfindungsgemässen Wärmeabfuhreinrichtung, einem Wärmetransportkreislauf und einem Speicher, einem Verbraucher oder einer Wärmepumpe besteht.

[0020] Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen rein schematisch: <tb>Fig. 1<sep>Die Konstruktion der Wärmeabfuhreinrichtung zusammengebaut mit dem Solarpaneel, <tb>Fig. 2<sep>Die Anordnung mehrerer Wärmeabfuhreinrichtungen auf einem einzelnen Solarpaneel, <tb>Fig. 3<sep>Der Zusammenbau mehrere Solarpaneele, ausgestattet mit einem oder mehrerer Wärmeabfuhreinrichtungen zu einem grösseren System, <tb>Fig. 4<sep>Das gegen die Rückseite wärmegedämmte Solarpaneel, ausgerüstet mit einem oder mehrerer Wärmeabfuhreinrichtungen, <tb>Fig. 5<sep>Die Aufsicht zweier Wärmeabfuhreinrichtungen mit verbreitertem Querschnitt auf der Wärme-Übertragungsplatte, <tb>Fig. 6<sep>Schnitt A gemäss Fig. 5mit dem kreisrunden Querschnitt an den Endstücken der Wärmeabfuhreinrichtung. Schnitt B gemäss Fig. 5 mit verformtem, einseitig flächigen Querschnitt auf der Wärme-Übertragungsplatte, und <tb>Fig. 7<sep>Zwei Varianten der Herstellung der grossflächigen Wärmekontaktierung des Wärmetransportrohrs mit der Wärme-Übertragungsplatte.

[0021] Das physikalische Wirkungsprinzip setzt ein, wenn solare Strahlung auf die photovoltaische Schicht 11 trifft. Ein Teil der Strahlungsenergie wird in elektrischen Strom umgewandelt und über die Stromklemme 13 an den elektrischen Leiter 17 geleitet, von wo der Solarstrom abgeleitet wird.

[0022] Die von der Oberfläche der Schicht 11 absorbierte, aber nicht in elektrischen Strom umgewandelte Strahlungsenergie wird in der Schicht 11 in Wärme umgewandelt. Ein Teil dieser Wärme wird an die oben liegende Umgebung mittels Strahlung und Konvektion abgegeben, ein Teil wird in die Tragplatte 9 eingeleitet. Die Tragplatte 9 ist eine stabile und wärmeleitende Platte, die die Aufgabe übernimmt, die Flächenkräfte des Paneels zu übernehmen und in die Tragkonstruktion einzuleiten und zudem einen möglichst grossen Teil der Wärme des Paneels in die Wärmetransporteinrichtung 1 hinzuleiten. Dazu wird die Wärmetransporteinrichtung 1 an die Tragplatte 9 gepresst, um einen wärmeleitenden Kontakt herzustellen. In der Wärmetransporteinrichtung 1 wird die Wärme an ein Wärmeträgermedium übertragen, welches im Kanal 3 fliesst und die Wärme aus der Wärmetransporteinrichtung abtransportiert.

[0023] Die Wärmetransporteinrichtung 1 wird mittels des Befestigungssystems 5 an die Tragplatte 9 gepresst. Das Befestigungssystem 5 besteht aus einer mit der Tragplatte fest verbundenen Zug- bzw. Druckstab 7 und einer damit verbundenen aber lösbaren und eine variable Kraft übertragende Anpressvorrichtung 8 zwischen der Zug/Druckstab und der Wärmeabfuhreinrichtung. Durch diese Anordnung ist der wärmeleitende Kontakt zwischen Tragplatte bzw. Solarpaneel und Wärmetransporteinrichtung gewährleistet und gleichzeitig die Möglichkeit der horizontalen Verschiebung der Wärmetransporteinrichtung zum Solarpaneel ermöglicht.

[0024] Das Befestigungssystem kann so ausgeführt sein, dass die Zug-/Druckstab durch Löcher (10) in der Wärmetransporteinrichtung durch diese durchgeführt ist oder seitwärts daneben angeordnet ist.

[0025] Das Wärmetransportrohr kann eine andere als kreisrunde Form im Bereich der Wärme-Übertragungsplatte besitzen. Dies kann in unterschiedlichen Varianten erreicht werden. Eine Möglichkeit besteht aus einem dementsprechenden Formprofil 21, in das ein flexibler Kanal 22 eingebracht und mit der Anwendung von Innendruck so umgeformt wird, dass er flächenschlüssig mit dem Formprofil 21 in Kontakt kommt. Eine andere Variante besteht aus einer Wärmekontaktplatte 23, einer zweiten Befestigungsvorrichtung 25 die halbkreisförmig ausgebildet ist. Die Befestigungsvorrichtung 25 klemmt ein dementsprechend geformtes Wärmetransportrohr 24 möglichst grossflächig auf die Wärmekontaktplatte 23.

[0026] Variante A, gemäss Fig. 7 Ein gefaltetes Wärmemedium-Leitrohr (Nr. 2 gemäss Fig. 3) mit einem äusseren Umfang, der leicht grösser ist als der innere Umfang des Wärmeleitkanals (Nr. 1 gemäss Fig. 3) kann in den Wärmeleitkanal eingelegt werden und mit der Anwendung von Innendruck ausgefaltet werden, sodass das Leitrohr grösstenteils flächenschlüssig zum Wärmeleitkanal anliegt und eine möglichst grosse Wärmekontaktfläche bietet.

[0027] Variante B gemäss Fig. 7 Das Wärmemedium-Leitrohr wird so umgeformt, dass es grösstenteils flächenschlüssig zum Wärmeleitkanal anliegt und eine möglichst grosse Wärmekontaktfläche bietet. Das umgeformte Leitrohr (Nr. 4 gemäss Fig. 3) wird mit einer Bügelkonstruktion (Nr. 5 gemäss Fig. 3) mit einer Vorspannung auf die Wärmeleitplatte (Nr. 3 gemäss Fig. 3) befestigt.

Claims (18)

1. Vorrichtung zum Umwandeln von Solarstrahlung in elektrische Energie mittels einer photovoltaischen Solarzelle dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle wärmeleitend mit einem Wärmetransportmedium verbunden ist um die in der Zelle in Wärme umgewandelte Solarstrahlung wenigstens teilweise abzuführen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportmedium viskos ist bzw. eine Flüssigkeit ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle wärmeleitend mit mindestens einer Wärmetransporteinrichtung verbunden ist, durch welche das Wärmetransportmedium geführt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransporteinrichtung mindestens im Bereich der Wärmeübertragungsplatte im Wesentlichen kreisrund ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransporteinrichtung durch ein Formprofil gebildet wird, in welches ein flexibler Kanal eingebracht ist, welcher unter Anwendung von Innendruck derart umformbar ist, dass er flächenschlüssig mit dem Formprofil in Kontakt steht.

6. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransporteinrichtung mittels eines Befestigungssystems so mit einem Solarpaneel, bestehend aus Tragplatte und Solarzelle, verbunden ist, dass das Solarpaneel selbst die Kraft der Verbindung aufnimmt und dass das Verbindungssystem an handelsübliche Solarpaneele nachträglich angebracht werden kann.

7. Vorrichtung mit Befestigungssystem nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zug- bzw. Druckstab am Solarpaneel befestigt ist, der die Kraft für die Anpressung der Wärmertransporteinrichtung an das Solarpaneel übernimmt und in das Solarpaneel einleitet.

8. Vorrichtung mit Befestigungssystem nach Anspruch 6 und/oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass die feste Verbindung zwischen Zug- bzw. Druckstab und Solarpaneel eine Klebeverbindung ist.

9. Vorrichtung mit Befestigungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft für die Anpressung der Wärmetransporteinrichtung an das Solarpaneel über eine lösbare Verbindung so erfolgt, dass sich die Wärmetransporteinrichtung auf dem Solarpaneel verschiebbar ist, ohne dass der wärmeleitende Kontakt unterbrochen oder reduziert wird.

10. Vorrichtung mit Wärmetransporteinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wärmeübertragungsplatte der Wärmetransporteinrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Fläche stehende Löcher aufweist, durch die Zug- bzw. Druckstab der Befestigungseinrichtung dringt und dass die Löcher einen deutlich grösseren Durchmesser aufweisen als der Durchmesser des Zug- bzw. Druckstabes.

11. Vorrichtung mit Wärmetransporteinrichtung mit Befestigungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Druck-/Zugstäbe seitlich der Wärmetransporteinrichtung angeordnet sind und dass die Kraft über eine Balkenkonstruktion von den Stangen auf die Wärmetransporteinrichtung übertragen wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransporteinrichtung durch ein im Wesentlichen halbkreisförmig geformtes Wärmetransportrohr gebildet wird, welches mit einer zweiten Befestigungsvorrichtung, welche entsprechend im Wesentlichen halbkreisförmig ausgebildet ist, möglichst grossflächig auf die Wärmekontaktplatte geklemmt ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaische Solarzelle frontseitig mit einer transparenten Schicht überdeckt ist, um ein Auskühlen frontseitig zu begrenzen.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle rückseitig mit wärmedämmendem Material ausgerüstet ist um den thermischen Wirkungsgrad des Systems bei höheren Betriebstemperaturen zu erhöhen.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmetransporteinrichtungen so dicht aneinander gereiht sind und dass der Fluss des Wärmetransportmediums so hoch ist, dass die Solarzelle mit konzentrierter Solarstrahlung bestrahlt werden kann.

16. Verfahren zur Verwendung von Solarstrahlung zum Erzeugen von elektrischer Energie sowie zum Betrieb eines Speichers, eines Verbrauchers oder einer Wärmepumpe, dadurch gekennzeichnet, dass in Solarzellen für die Umwandlung in elektrische Energie durch die Solarstrahlung erzeugte Wärme, wärmeleitend in ein Wärmetransportmedium abgeführt wird in welchem die abgeführte Wärme einem Speicher, einem Verbraucher oder einer Wärmepumpe, zugeführt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des flüssigen Wärmetransportmediums umgekehrt dem Solarpaneel Wärme zugeführt werden kann, um gegebenenfalls Vereisungen oder Schnee auf dem Solarpaneel zu entfernen.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Veränderung des Massenflusses des Wärmetransportmediums die abgeführte Wärme beeinflusst werden kann um den Gesamtwirkungsgrad des Systems bezüglich erzeugter elektrischer Energie und abgeführter Wärme zu optimieren.