DE102004010653A1

DE102004010653A1 - Hybrider Niedertemperatur-Solar-Kollektor in flexibler und selbstklebender Ausführung

Info

Publication number: DE102004010653A1
Application number: DE102004010653A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Kalberlah; Klaus Dr. Schlemper
Original assignee: Schlemper Klaus Dr-Ing
Current assignee: EUROSUN SOLARTECHNIK UG (HAFTUNGSBESCHRAENKT), DE
Priority date: 2004-02-29
Filing date: 2004-02-29
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-01
Also published as: DE102004010653B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kollektor für Solarwärme, der zugleich Solarstrom erzeugt und flexibel sowie selbstklebend ausgebildet ist, sodass er auf glatte Dacheindeckungen, beispielsweise aus Blech, während oder nach der Herstellung des Daches einfach aufgebracht werden kann. Der Kollektor erzeugt erwärmtes Wasser mit einer Temperatur unter 20 DEG C zur Einspeisung in eine Wärmepumpe, der Solarmodul Gleichstrom zur Einspeisung in einen Wechselrichter. Stromverkabelung und Warmwasser-Verrohrung sind weitgehend in den selbstklebenden Hybridkollektor integriert.

Description

Seit Jahren sind Solar-Kollektoren bekannt, unter deren isolierender Glasabdeckung ausser den üblichen, Wasser- oder Luft-durchströmten Absorbern zusätzlich Solarzellen zur Stromerzeugung enthalten sind; eine derartige Bauform wird üblicherweise als „Hybrid-Kollektor" bezeichnet. Das übliche Hybrid-Konzept widerspricht sich teilweise selbst, weil Silizium-Solar-Zellen auf die erhöhte Kollektor – Innentemperatur mit Leistungsverlusten reagieren. Nicht umsonst wird bei Standard-PV-Anlagen empfohlen, PV-Module zu hinterlüften, um die Erwärmung der Solarzellen möglichst gering zu halten.

Ein weiteres Problem derartiger Hybridkollektoren ist die im Fehlerfall auf bis zu 180°C erhöhte Innentemperatur (Stillstands-Temperatur) unter der Glasabdeckung, welche die Verklebung, Lamination und Verlötung der Solarzellen und die elektrische Verkabelung ungewähnlich beansprucht; übliche Standard-Solarstrom-Module werden nach IEC 61215 oder IEC 61646 mit maximal 85°C temperaturbelastet. Andererseits ist bei normalen Flachkollektoren die Glasabdeckung unverzichtbar, wenn wenigstens in den Sommermonaten die bei thermischem Solaranlagen übliche Vorlauf-Temperatur von ca. 60°C erreicht werden soll.

Eine Funktion des Kollektors als Wärmetauscher, d. h. Eintrag von thermischer Energie geringer Temperatur aus der umgebenden Aussenluft ("Luft-Wärmetauscher"), ist bei den üblichen Solarkollektoren nicht vorgesehen und wird durch die isolierende Wirkung der Glasabdeckung zwangsläufig verhindert.

Normale Solarkollektoren leisten daher nur einen sehr geringen Beitrag zur Beheizung des Gebäudes im Winter: die solare Einstrahlung ist, kombiniert mit der üblichen Steuerung für Flachkollektor-Anlagen, welche die Umwälzpumpe nur in Betrieb setzt, wenn ca. 60° Wassertemperatur dem Kollektor entnommen werden können, viel zu gering, um eine nennenswerte Betriebsstundenzahl im Winter zu gewährleisten.

Um eine Dachfläche aus Blech dennoch zugleich als Lieferant von elektrischer und thermischer Solarenergie zu nutzen, wurde vorgeschlagen, aussenseitig ein flexibles, glasloses PV-Laminat aufzukleben und auf der Dach-Innenseite eine wasserdurchströmte Verrohrung in Kontakt mit dem Blechdach und umgeben von der üblicherweise erforderlichen Isolation (Wärmeschutzverordnung) anzubringen (siehe DE 100 48 032 , Anspruch 7 und 8). Hierbei wird, da eine isolierende Glasabdeckung nicht vorgesehen ist, bereits der Gedanke eines Niedertemperatur-Kollektors, der nur in Kombination mit einer Wärmepumpe sinnvoll ist (siehe PA Az 100 48 035.7), realisiert.

Nachteilig bei einer derartigen Ausführungsform eines Hybrid-Solardaches ist,

(1) dass die Wasserführung auf der Dach-Innenseite erfolgt. Von zahlreichen Planern, Architekten und Bauherren wird dies abgelehnt, weil im Fall von Undichtigkeiten die austretende Solar-Flüssigkeit nicht durch die Dachhaut zurückgehalten wird bzw. auf der Aussenseite des Gebäudes verbleibt.
(2) dass bestehende Gebäude mit einer derartigen solaren Wärme- und Stromanlage nicht ausgestattet werden können, ohne das gesamte Dach auszutauschen
(3) dass auch bei Neubauten ein nicht unerheblicher Aufwand entsteht, die solartermischen Fertig-Elemente gleichzeitig als Dach zu verlegen und sowohl aussen wie auch Dach-innenseitig als Solaranlage zu verbinden.

Die Montage üblicher Solarkollektoren und Solarstrom-Module oder der bisher bekannt gewordenen, „glaskasten-artigen" Hybridkollektoren belastet das Dach zudem gewichtsmässig, ist mit nennenswerten Kosten für die Montagearbeit und -material („Aufständerung") verbunden und stellt häufig keine ästetisch/architektonisch ansprechende Lösung dar.

Selbstklebende, glaslose/flexibte Solar-Module zur Blechdach-Integration sind zwar bereits bekannt und angemeldet worden (siehe DE 100 48 034 ), es fehlt jedoch die Hybridisierung, d. h. die Kombination des PV-Moduls mit dem Kollektor zur Gewinnung von Wärmeenergie. Bedenkt man, dass ca. 85% der Energie eine Haushalts in Form von Wärme benötigt wird, so ist dies ein nicht unwesentlicher Nachteil.

Die vorliegende Erfindung vermeidet die vorgenannten Nachteile, indem ein an sich bekanntes, flexibles (d. h. glasloses) PV-Laminat zunächst auf einen gleichfalls flexiblen, wasserdurchströmten Flachkollektor spezieller Bauweise aufgeklebt wird.

Die „spezielle Bauweise", um den Kollektor flexibel zu machen, kann darin bestehen, kann darin bestehen, dass dieser aus einer Stegplatte aus dauerelastischem Kunststoff besteht. Derartige glaslose und flexible Kollektorplatten sind in der Solartechnik bereits in Gebrauch; weil sie keine Isolation besitzen und somit nur in den Sommermonaten warmes Wasser mit vergleichsweise niedriger Temperatur liefern, werden derartige Kollektoren nicht in den üblichen, solaren Brauchwassersystemen eingesetzt, sondern ausschliesslich zur Erwärmung von Schwimmbad-Wasser benutzt und als „Schwimmbad-Kollektoren" bezeichnet. Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, einen solchen Schwimmbad-Kollektor mit einem flexiblen, glas- und rahmenlosen PV-Laminat zu verkleben.

Ein spezieller Vorteil dieser Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass der so erzeugte Hybrid-Kollektor (gelegentlich und vorsichtig) begehbar ist, falls ein flexibles PV-Laminat verwendet wird, das diese Eigenschaften ebenfalls aufweist. Ein weiterer Vorteil des unter Verwendung eines Schwimmbad-Kollektors hergestellten, erfindungsgemässen Hybridkollektors ist, dass eine länsseitige Abdichtung, wie nachfolgend bei der Verwendung von Kollektorblechen beschrieben, nicht erforderlich ist.

Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Kollektor Materials und die Schwierigkeit, stirnseitig ein Sammelrohr so anzubringen, dass die Unterseite des Hybrid-Kollektors vollflächig aufliegend verklebbar ist. Verwendet man allerdings den Hybrid-Kollektor als Luft Wärmetauscher mit Hinterlüftung/Dachabstand, was zweifellos die Stromausbeute der Solarzellen erhöht, so spielt letzteres keine Rolle; im Gegenteil kann das stirnseitige Sammelrohr aus Kunststoff diesen Dachabstand erzeugen und unterseitig flach ausgebildet sein, sodass es als Verklebungsfläche geeignet ist.

Die „spezielle Bauweise" des Kollektors kann auch darin bestehen, dass in Quer- wie in Längsrichtung eine gewisse Biegsamkeit/Flexibilität hergestellt wird, indem der Kollektor aus zwei dünnen, biegsamen Blechen besteht, die nur an den Rändern miteinander fest verbunden und flächig durch näherungsweise halbkugelige Sicken auf einem Abstand von wenigen mm gehalten werden. Die Ausformung und Verbindung der beiden Bleche erfolgt vorteilig, indem an den Stirnseiten des Kollektors das Blech, welches dem Dach zugewandt ist ("Grundblech"), rohrartig zum erforderlichen Sammelrohr verformt und mit einem laschenartigen Fortsatz versehen ist, welcher unterseitig mit dem zweiten, dem PV-Modul zugewandten Blech ("Deckblech") wasserdicht verlötet wer verklebt wird. Es ist somit sichergestellt, dass das PV-Laminat auf seiner gesamten Grundfläche vollständig mit dem Deckblech verklebt werden kann und dass diese, ansich kritische Verklebung an keiner Stelle durch Stösse, Fugen, Nahtstellen u. ä. der verbundenen Kollektor-Konstruktion einer potentiellen Gefährdung ausgesetzt ist.

Auf der Längsseite des erfindungsgemässen, flexiblen Kollektors wird das Deckblech vorteilhaft vorteilhaft mit einer U förmigen Umbördelung versehen, in welche das dachseitige Grundblech eingreift, sodass eine wasserdichte Verbindung zwischen Grund- und Deckblech einfach und zuverlässig geschaffen werden kann durch Verprassen, Verkleben, Verwendung einer Kunststoff Dichtmasse bzw. eines Dicht Profils oder einer Kombination dieser Massnahmen, an Stelle einer aufwändigen Verlötung.

Ebenso, wie das flexible PV-Laminat mit elektrischen Steckverbindern ausgerüstet ist, erhält der flexible Kollektor Vorkehrungen zur einfachen hydraulischen Verbindung mittels steckbarer Rohr- oder Schlauchverbinder zum vorhergehenden und nächstfolgenden, flexiblen und setbstklebenden hybriden Niedertemperatur-Solar-Kollektor.

Wird der flexible Blech-Kollektor aus elektrisch gut leitfähigem Metall, beispielsweise aus Kupferblech hergestellt, so kann er auch in Längsrichtung zweigeteilt ausgeführt werden und dann die sonst im PV-Laminat untergebrachte Durchgangsverdrahtung ersetzen. Allerdings muss dann die Verklebung zur Dachfläche entsprechende Isolationseigenschaften aufweisen.

Eine wesentliche Verbesserung der Erfindungsidee ist es, den beschriebenen, flexiblen Hybrid-Kollektor, ausgebildet als Kombination eines flexiblen PV-Laminates mit einem Schwimmbad-Kollektor oder ausgebildet als Verbindung mit einem Kollektor aus 2 dünnen Blechplatten, nachfolgend unterseitig mit einer dauerelastischen Selbstklebe-Schicht zu versehen.

Das Ausführungsbeispiel in 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen hybriden Niedertemperatur-Solar-Kollektor, wobei der flexible Kollektor aus 2 Blechen, Grundblech (3b) und Deckblech (3a) besteht. Die Bleche sind mit Abstands-Sicken (3e) versehen und stirnseitig als Sammelrohr (3c) ausgebildet. Die Verbindung bei (3d) erfolgt so, dass die Fläche für die Verklebung (2) des PV-Laminats (1) vollständig eben bleibt. Die dauerelastische Verklebung (4) zum Dachblech (5) wird in bereits bekannter Weise ausgeführt durch eine neoprene Schaumstoff-Schicht, beiderseits mit Acrylat-Klebefolie beschichtet.
2 zeigt denselben hybriden Niedertemperatur-Solar-Kollektor in der Aufsicht. Zur elektrischen Verbindung dient das fest anmontierte Buchsenteil (7a) sowie die steckbare Verbindungs-Leitung (7b). Bei der Durchleitung des solar erwärmten Wassers dienen die Enden des Sammelrohres, welche nicht, wie bei (3f) gezeigt, verschlossen sind, als Buchse/Kupplung, während Rohr- oder Schlauchbögen (6) als Stecker bzw. Verbindung für die Zu- bzw. Ableitung der Solarflüssigkeit fungieren.
3 zeigt einen Querschnitt durch die in 1 und 2 gezeigte Ausführungsform des hybriden Niedertemperatur-Solar-Kollektors. Die für die längsseitige Verbindung der Kollektor-Bleche (3a) und (3b) vorteilhafte U-förmige Umbördelung ist mit (3g) gekennzeichnet.
4 demonstriert als Querschnitt die Ausführung des hybriden Niedertemperatur-Solar-Kollektors unter Verwendung eines flexiblen Soladur^® – Schwimmbad-Kollektors (3h): Nicht als Abbildung gezeigt ist hierbei die erfindungsgemässe Ausbildung des stirnseitigen Sammelrohres aus Kunststoff als Dach-Abstandshalter, dachseitig abgeflacht als Klebefläche für die Verklebung (4) mit dem Dachblech (5).
Ebenfalls nicht dargestellt ist die lichtundurchlässige Schutzfolie auf der Oberseite des hybriden Niedertemperatur-Solar-Kollektors; sie dient, neben dem mechanischen Schutz beim Transport und der Montage des erfindungsgemässen Hybrid-Kollektors, dazu, eine Stromerzeugung während der Montage zu verhindern und somit eine Verwendung durch Dachdecker ohne Elektriker-Lizenz zu ermöglichen. Diese an sich bekannte Schutzfolie wird abgezogen, nachdem jeweils eine Reihe von Hybrid-Kollektoren von der Traufe zum First des Daches fertig installiert ist.

9: flexibles PV-Laminat
2: wärmeleitende Verklebung
3: Kollektor, Deckblech
3b: Kollektor, Grundblech
3c: Kollektor, Sammelrohr
3d: Kollektor, Verlötung oder Verklebung
3e: Kollektor, Abstands – Sicken
3f: Rohrverschluss
3g: U-förmige Umbördelung
3h: Schwimmbad-Kollektor
4: dauerelastische Selbstklebe-Schicht
5: Dacheindeckung (Dachblech)
6: steckbare Rohrverbinder
7: elektrische Verbindung, Buchsenteil
7b: elektrische Verbindung, Steckerteil

Claims

Hybrider Niedertemperatur-Solar-Kollektor zur Gebäudeintegration, dadurch gekennzeichnet, dass ein flexibles Solarstrom – Laminat wärmeleitend und dauerelastisch verklebt wird mit einem ebenfalls flexiblen Solar-Kollektor
Hybrider Niedertemperatur-Solar-Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Solarstrom-Kollektor ein Schwimmbad-Kollektor an sich bekannter Ausführung ist.
Hybrider Niedertemperatur-Solar-Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Solarstrom-Kollektor aus zwei dünnen Blechen besteht, die durch eingebrachte Sicken auf Abstand gehalten, längsseitig am Rand miteinander wasserdicht verbunden und stirnseitig als Sammelrohr ausgebildet und miteinander verbunden sind, sadass ein vollständig ebener Untergrund zur vollflächigen Verklebung des PV-Laminates entsteht.
Hybrider Niedertemperatur-Solar-Kollektor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Kombination Ihrerseits dauerelastisch selbstklebend zur Aufbringung auf glatte Gebäudeflächen ausgeführt wird.
Flexibler Niedertemperatur-Hybrid-Kollektor nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor aus elektrisch gut leitendem Material hergestellt und zweiteilig ausgebildet ist ohne elektrisch leitende Verbindung der Teile, sodass der Kollektor als Durchgangsverdrahtung für den Solarstrom der verbundenen Hybrid-Kollektoren dient.
Flexibler Niedertemperatur-Hybrid-Kollektor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hybrid-Kollektor auf das Dach montiert wird unter Verwendung von Abstandshaltern, sodass eine Hinterlüftung stattfindet und somit eine optimale Funktion als Luftwärmetauscher gewährleistet ist.
Flexibler Niedertemperatur Hybrid-Kollektor nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das stirnseitige Sammelrohr des Schwimmbadkollektors als Anstandshafter dient sowie dachseitig flächig ausgebildet und somit als Verklebungsfläche geeignet ist.
Flexibler Niedertemperatur-Hybrid-Kollektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite mit einer abziehbaren, lichtundurchlässigen Schutzfolie abgeklebt ist, wodurch zugleich mechanische Beschädigungen wie auch die Stromerzeugung während der Montage verhindert sind.