DE102004007133A1

DE102004007133A1 - Solarer Hybridkollektor

Info

Publication number: DE102004007133A1
Application number: DE200410007133
Authority: DE
Inventors: Stefan Laure
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2004-09-02

Abstract

Es wird ein solarer Hybridkollektor mit einem Absorber, in welchem ein Wärmeträger strömt, und mit Solarzellen zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie vorgeschlagen. Als Absorber sind dabei eine oder mehrere nach oben offene Rinnen (1, 2) mit einem Querschnitt in Form einer Parabel, eines Halbkreises oder einer halben Ellipse vorgesehen. Die Rinnen sind mit einer das Sonnenlicht in Richtung der Öffnung reflektierenden Schicht oder Oberfläche versehen. Die Solarzellenelemente (3) decken die Rinnen (1, 2) teilweise nach oben ab. Sie sind an der den Innenseiten der Rinnen zugewandten Seite und an der den Innenseiten der Rinnen abgewandten Seiten mit einer fotovoltaisch wirkenden Schicht (5, 6, 7) versehen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem solaren Hybridkollektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solarer Hybridkollektor besteht aus einem Absorber und Solarzellen. Der Absorber absorbiert die Sonneneinstrahlung, wandelt diese in Wärme um und gibt sie an einen strömenden Wärmeträger wie beispielsweise Wasser, Natrium, Isobutan oder Luft ab. Bei der Solarzelle handelt es sich um eine großflächige Ausführungsform eines Fotoelements, welches die einfallende Strahlung des Sonnenlichts direkt in elektrische Leistung umwandelt. Diese Umwandlung beruht auf dem Fotoeffekt.
Aus dem Stand der Technik der DE 197 09 653 C2 ist ein solarer Hybridkollektor bekannt, bei dem der Absorber und die Solarzellen räumlich voneinander getrennt sind. Der Absorber hat die Form eines Rohres und ist in einem gewissen Abstand von einer Außenröhre mit Prismenstruktur umgeben. Diese Prismenstruktur sorgt dafür, dass das einfallende Licht auf die Solarzelle gelenkt wird. Dank der Prismenstruktur wird auch der Bereich hinter dem Absorber ausgeleuchtet. Die Außenröhre dient damit als Kollektor. Darüber hinaus sind Kühlrohre vorgesehen, welche die Solarzellen kühlen und auf einer geeigneten Betriebstemperatur halten.
Als nachteilig erweist sich bei diesem bekannten Hybridkollektor, dass neben der Solarzelle und dem Absorber zusätzlich ein Kollektor zum Bündeln des einfallenden Sonnenlichts und Fokussieren auf die Solarzelle sowie Kühlrohre zum Kühlen der Solarzelle notwendig sind. Dies führt zu einem komplizierten Aufbau des Hybridkollektors und zu hohen Herstellungskosten.
Die Erfindung und ihre Vorteile
Demgegenüber hat der solare Hybridkollektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil, dass neben dem Absorber und den Solarzellen keine weiteren Bauteile zum Bündeln der einfallenden Sonnenstrahlung und zum Kühlen der Solarzellen notwendig sind. Der Absorber ist in Form von nach oben offenen Rinnen mit einem Querschnitt in Form einer Parabel, eines Halbkreises oder einer halben Ellipse vorgesehen. An der nach oben offenen Seite der Rinne sind die Solarzellenelemente so angeordnet, dass sie die Rillen teilweise nach oben abdecken. Die Solarzellenelemente sind sowohl an ihrer Ober- als auch an ihrer Unterseite mit einer fotovoltaisch wirkenden Schicht versehen. Dies führt dazu, dass das einfallende Sonnenlicht entweder direkt auf die Oberseite der Solarzellenelemente fällt oder über die reflektierende Rinne auf die Unterseite der Solarzellenelemente gelenkt wird. Die Rinnen, die das Sonnenlicht nach oben in Richtung der Öffnung reflektieren, werden auch als Compound Parabolic Concentrator, kurz CPC-Spiegel bezeichnet.
Darüber hinaus hat der erfindungsgemäße Hybridkollektor den Vorteil, dass der in den Rinnen geführte Wärmeträger nicht nur die eingestrahlte Energie der Sonne in Wärme umwandelt und transportiert, sondern gleichzeitig die Solarzellen kühlt. Die Solarzellenelemente decken die Rinnen teilweise nach oben ab und kommen daher direkt in Berührung mit dem Wärmeträger. Die fotovoltaisch wirkende Sicht der Solarzellen wird durch Kühlung auf einer für das System optimalen Arbeitstemperatur gehalten. Bei starkem Wärmeeintrag ist daher ihr Wirkungsgrad höher als bei bekannten Hybridkollektoren.
Die Kosten des erfindungsgemäßen Hybridkollektors sind gegenüber den Kosten bekannter Hybridkollektoren reduziert, da auf zusätzliche Bauteile, wie Kühlrohre zum Kühlen der Solarzellen und Kollektoren zum Bündeln der einfallenden Sonnenstrahlen verzichtet werden kann. Darüber hinaus treten aufgrund der Abdeckung der Rinnen durch die Solarzellen weniger Wärmeverluste auf als bei bekannten Hybridkollektoren.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Rinnen parallel nebeneinander angeordnet. Ein Solarzellenelement erstreckt sich über die Länge zweier benachbarter Rinnen und liegt auf den benachbarten Kanten der Rinnen auf. Die Breite der Solarzellenelemente ist dabei gleich oder größer als der Abstand der Brennlinien der beiden Rinnen. Um sicher zu stellen, dass die einfallenden Sonnenstrahlen auf die Unterseite des Solarzellenelements durch die Rinne reflektiert werden, ist es von Vorteil, wenn die Breite des Solarzellenelements etwas größer ist als der Abstand der Brennlinien. Soll dagegen der durch die Solarzellenelemente abgedeckte Bereich klein sein, um möglichst viel Sonnenlicht auf den Wärmeträger einwirken zu lassen, so ist die Breite der Solarzellenelemente kleiner als der Abstand der Brennlinien benachbarten Rinnen zu wählen.
Der Bereich einer Rinne, welcher nicht durch ein Solarzellenelement abgedeckt ist, kann durch eine transparente Scheibe verschlossen werden. Dabei kann es sich beispielsweise um Glas oder Kunststoff handeln. Da über diese transparente Scheibe das Sonnenlicht zur Erwärmung des Wärmeträgers einerseits und zur Einstrahlung auf die Unterseite der Solarzelle andererseits einfällt, ist darauf zu achten, dass die Transmission im Wellenlängenbereich, der für die Erwärmung des Wärmeträgers verantwortlich ist, und im Wellenlängenbereich, der für den Fotoeffekt in der Solarzelle verantwortlich ist, hoch ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind an den Enden der Rinnen Sammelkanäle zum Zu- und Ableiten des Wärmeträgers vorgesehen. Der kontinuierliche Transport des Wärmeträgers wird durch eine Pumpe gewährleistet. Diese ist vorteilhafterweise fotovoltaisch betrieben. Hierzu kann ein Teil der elektrischen Energie verwendet werden, welche durch die Solarzellen erzeugt wird.
Da die Pumpe fotovoltaisch betrieben ist, verhalten sich der Volumenstrom des Wärmeträgermediums und die eingestrahlte Energie des Sonnenlichts proportional zueinander.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Solarzellen aus einem Hohlprofil, welches an seiner Ober- und Unterseite mit einer fotovoltaisch wirkenden Schicht versehen ist. Die fotovoltaisch wirkende Schicht besteht beispielsweise aus amorphem oder mikrokristallinem Silizium. Sofern die Kühlung der Solarzellen durch den in den Rinnen strömenden Wärmeträger nicht ausreicht, kann in dem Hohlprofil ein zusätzlicher Kühlkörper vorgesehen sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das Hohlprofil der Solarzellen aus Aluminium. Aus diesem Material können außerdem die Rinnen gefertigt sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als Gehäuse ein Kastenmodul vorgesehen, an welchem elektrische Anschlüsse für die Solarzellen angeordnet sind. Das Kastenmodul wird an der Oberseite durch eine Glasscheibe abgedeckt, durch welche das Sonnenlicht einfallen kann.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung, der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen zu entnehmen.
Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen solaren Hybridkollektors dargestellt. Es zeigen:
1 perspektivische Ansicht zweier Rinnen mit einem Solarzellenelement,
2 Schnitt durch eine Anordnung gemäß 1.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein Teil eines solaren Hybridkollektors mit zwei als Absorber dienenden Rinnen 1 und 2, in welchen ein in der Zeichnung nicht erkennbarer Wärmeträger strömt, und mit einem Solarzellenelement 3 dargestellt. 2 zeigt die Anordnung im Querschnitt. Die beiden Rinnen sind an ihrer Innenseite mit einer das Sonnenlicht reflektierenden Oberfläche versehen. Sie werden daher auch als Spiegel bezeichnet, im vorliegenden Fall als CPC-Spiegel. Die CPC-Spiegel sind so ausgelegt, dass die Strahlung um den Faktor 1,5 auf die Brennlinie des Spiegels fokussiert wird. Das Solarzellenelement 3 deckt die nach oben offenen Rinnen 1 und 2 zumindest teilweise ab. Das Solarzellenelement besteht aus einem Hohlprofil 4, welches an seiner Oberseite und an seiner Unterseite mit fotovoltaisch wirkenden Schichten versehen ist. Die Schichtabfolge kann an der Ober- und Unterseite identisch sein. Unmittelbar an das Hohlprofil schließen sich Solarzellen 5, 6 und 7 an, welche aus amorphem oder mikrokristallinem Silizium bestehen können. Die Solarzellen werden als pin-Solarzellen bezeichnet. An die Solarzellen schließt sich eine leitfähige transparente Oxidschicht 8, genannt TCO-Schicht, an. Die äußerste Schicht besteht aus einer Antireflexschicht 9. Im Inneren des Hohlprofils 4 ist ein Kühlkörper 10 vorgesehen. Dieser sorgt für eine zusätzliche Kühlung der Solarzellen. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Solarzellen verbessert.
Sämtliche Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

1: Rinne
2: Rinne
3: Solarzellenelement
4: Hohlprofil
5: Solarzelle
6: Solarzelle
7: Solarzelle
8: leitfähige transparente Oxidschicht
9: Antireflexschicht
10: Kühlkörper

Claims

Solarer Hybridkollektor mit einem Absorber, in welchem ein Wärmeträger strömt, und mit mindestens einem Solarzellenelement zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass als Absorber eine oder mehrere nach oben offene Rinnen (1, 2) mit einem Querschnitt in Form einer Parabel, eines Halbkreises oder einer halben Ellipse vorgesehen sind, dass die Rinnen (1, 2) mit einer das Sonnenlicht in Richtung der Öffnung reflektierenden Schicht oder Oberfläche versehen sind, dass die Solarzellenelemente (3) die Rinnen teilweise nach oben abdecken, dass die Solarzellenelemente (3) an der den Innenseiten der Rinnen zugewandten Seite und an der den Innenseiten der Rinnen abgewandten Seite mit mindestens einer fotovoltaisch wirkenden Schicht (5, 6, 7) versehen sind.
Solarer Hybridkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je zwei Rinnen (1, 2) nebeneinander parallel verlaufen, dass ein Solarzellenelement (3) sich über die Länge der Rinnen (1, 2) erstreckt, auf den benachbarten Kanten der Rinnen aufliegt und die , Breite des Solarzellenelements (3) gleich oder größer als der Abstand der Brennlinien der beiden Rinnen ist.
Solarer Hybridkollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden der Rinnen (1, 2} Sammelkanäle zum Zu- und Ableiten des Wärmeträgers vorgesehen sind.
Solarer Hybridkollektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe zum Transport des Wärmeträgers durch die Rinnen (1, 2) vorgesehen ist, und dass die Pumpe fotovoltaisch betrieben wird.
Solarer Hybridkollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe durch elektrische Energie betrieben wird, welche durch die Solarzellenelemente erzeugt wird.
Solarer Hybridkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellenelemente (3) aus einem Hohlprofil (4) bestehen, welches an seiner Ober- und Unterseite mit mindestens einer fotovoltaisch wirkenden Schicht (5, 6, 7) versehen ist.
Solarer Hybridkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (4) aus Aluminium besteht.
Solarer Hybridkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rinnen (1, 2) aus Aluminium bestehen.
Solarer Hybridkollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gehäuse ein Kastenmodul vorgesehen ist, an dem elektrische Anschlüsse für die Solarzellenelemente (3) vorgesehen sind.