DE102007030486A1

DE102007030486A1 - Kollektor zur Generierung elektrischer und thermischer Energie

Info

Publication number: DE102007030486A1
Application number: DE102007030486A
Authority: DE
Inventors: Jörg Helbig; Uwe Vincenz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2008-10-16
Also published as: US20120060899A1; US20100116322A1; WO2008125264A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kollektor semitransparenter Bauweise zur Erzeugung elektrischer und thermischer Energie aus auschließlich solarer Strahlungsenergie, bei welchem in einem gemeinsamen Gehäuse, den oberen Teil des Kollektors bildend, ein semitransparentes photovoltaisches Modul (11) angeordnet ist und nicht miteinander mechanisch in Verbindung stehend, den unteren Teil des Kollektors bildend, ein solarthermisches Modul (12) angeordnet ist und zwischen diesen Modulen ein Isolationsraum (4) angeordnet ist, welcher, konvektive Wärmeverluste verhindernd, Wärmestrahlung hindurchlässt und der Kollektor zur Einstrahlungsrichtung mittels eines transparenten Trägers (1) verschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kollektor semitransparenter Bauweise zur Erzeugung elektrischer und thermischer Energie aus ausschließlich solarer Strahlungsenergie.
Unter solarthermischen Anlagen versteht man technische Systeme zur Erwärmung von Heiz- und Brauchwasser mithilfe von solarer Strahlungsenergie. Diese bestehen in der Regel aus Kollektoren, einem verbindenden Rohrleitungssystem, einem Wärmeträgermedium und einem Speicher mit Wärmetauschern für Warmwasser. Hinzu kommen Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen.
Das Herzstück einer solchen Anlage bilden die Kollektoren. Hier sind grundsätzlich zwei Typen verfügbar.
Zum einen der Vakuumröhrenkollektor, welcher aus evakuierten Glasröhren besteht.
Im Inneren der Röhre befindet sich eine zweite Röhre bzw. Röhrensystem, die die eigentliche Absorberfläche darstellt und vom Wärmeträgermedium durchflossen wird.
Die innere Röhre ist speziell beschichtet und liegt im Brennpunkt von seitlich angebrachten Spiegeln. Dieser Kollektortyp kann sehr hohe Temperaturen liefern und weist einen hohen Wirkungsgrad auf. Er ist aber sehr teuer und konstruktionsbedingt nicht für eine Kombination mit Photovoltaik geeignet.
Der zweite Kollektortyp ist der so genannte Flachkollektor. Dieser Typ besteht aus einer speziell beschichteten Aluminium- bzw. Kupferfolie, an deren Rückseite ein Rohrsystem, vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer, mäander- oder harfenförmig aufgebracht ist.
Zum Schutz vor Umwelteinflüssen ist dieser Kollektor mit einer Glasplatte oder ähnlichen transparenten Materialien nach oben hin abgedeckt.
Diese Abdeckung lässt die von der Sonne emittierte Strahlung nahezu verlustfrei hindurch. Das unter der Absorberfläche aufgebrachte Rohrleitungssystem wird von einem Wärmeträgermedium durchflossen und transportiert somit die Wärme in Richtung Speichersystem. Als Wärmeträgermedium wird meist ein Wasser-Glykol-Gemisch genutzt um Frostschäden vorzubeugen.
Photovoltaik bezeichnet die direkte Umwandlung von solarer Strahlung in elektrische Energie aufgrund der Freisetzung von Ladungsträgern in Festkörpern.
Hierzu werden gemäß dem Stand der Technik Halbleiter eingesetzt, d. h. Stoffe, die nahe dem absoluten Nullpunkt der Temperatur isolieren, aber bei höheren Temperaturen, gezielter Störung des Kristallgitters oder durch äußeren Energieeintrag Leitfähigkeit erlangen.
Um architektonischen Belangen wie Optik, Wärmedämmung, Abschattung, Ästhetik und Blendschutz in Verbindung mit der Photovoltaik gerecht zu werden, sind seit einiger Zeit so genannte semitransparente Solarmodule für die Gebäudeintegration (GIPV) verfügbar.
Hierbei handelt es sich vorzugsweise um Dünnschichtzellen, im Speziellen amorphe, polychristalline oder auch CIS-Zellen.
Dadurch ist es möglich, PV-Module mit 1% bis 99% Lichttransmittanz herzustellen. Im Konkreten bedeutet das, dass der Photovoltaikanteil frei skaliert werden kann.
So sind Fassaden möglich, die an bestimmten Stellen 90% des Lichtes absorbieren und an anderen Stellen nur 10%, wobei alle Module aber die gleiche Ausgangsspannung haben, um sie konventionell verschalten zu können.
Diese semitransparenten Zellen weisen eine Vielzahl von Problemen auf. So ist die Stabilität der Zellen während der Herstellung sowie beim Einbringen der Durchbrüche in die Wafer ein besonderer Risikofaktor, der eine Serienfertigung schwierig gestaltet.
Die Probleme bei semitransparenten Zellen mit zwischen Glasplatten eingesetzten Wafern sind eher optischer Natur.
Diese Technologie lässt nur an kleinen Bereichen Licht hindurch, wobei aufgrund der verwendeten Wafer die restlichen Bereiche große Schatten werfen. Ein weiteres Problem ist der Einsatz teurer Siliziumwafer sowie das hohe Gewicht aufgrund von zwei verwendeten Glasplatten.
Gemäß des Standes der Technik werden Lösungen vorgeschlagen, welche die bekannten photovoltaischen Baugruppen mit denen der Solarthermie so verbinden, dass ein Wärmeübergang von den erwärmten Wafern mittels direkter Kontaktierung durch Wärmeleitung zu dem solarthermischen Modul vorgenommen wird.
Hierdurch entstehen Nachteile hinsichtlich der Dichtheit des solarthermischen Moduls in Verbindung mit dem elektrisch leitenden photovoltaischen Modul und der Rückkopplung der Wärmeleitfähigkeit vom photovoltaischen Modul zum Absorber und umgekehrt bei wechselnden Wetterbedingungen.
Des Weiteren ist von Nachteil, dass alle in dem kombinierten Kollektor verwendeten Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen und somit mechanische Probleme im System auftreten können.
Des Weiteren ist die direkte Verbindung zwischen solarthermischen Kollektor und den semitransparenten PV-Modul mit hohen thermischen Verlusten verbunden, da Wärmeenergie durch direkten Kontakt vom solarthermischen Absorber zu den PV-Zellen und somit zur Umwelt abgegeben wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, bekannte Probleme der Dichtheit sowie Abschottung des Solarthermiekollektors zur photovoltaischen Elementen zu lösen um Kurzschlüsse zu vermeiden, thermische Verluste zu minimieren, sowie die bekannten Nachteile des Standes der Technik zu beheben.
Des Weiteren sind die entstehenden Wirkungsgradeinbußen bei der Kombination von Photovoltaik und Solarthermie zu minimieren sowie die mechanischen Probleme zu beseitigen.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der erfindungsgemäße Kollektor soll nachfolgend anhand der 1 und 2 näher erläutert werden.
Der erfindungsgemäße Kollektor besteht aus einem Gehäuse 9, welches den Boden und die Seitenwände des Kollektors bildet und alle weiteren Baugruppen und Bestandteile des Kollektors aufnimmt und einem transparenten Träger 1, welcher den Kollektor nach oben hin verschließt und gleichzeitig einen Schutz vor äußeren Einflüssen aus dieser Richtung bildet.
Alternativ kann der solarthermische Kollektor im Doppelkammerprofil mit Vakuum ausgeführt sein, beziehungsweise das Innere des Gehäuses als solches evakuiert sein.
Mittels einer gemäß dem Stand der Technik ausgeführten Abdichtung 10 sind Gehäuse 9 und transparenter Träger 1 miteinander verbunden.
Den oberen Teil des erfindungsgemäßen Kollektors bildet ein semitransparentes photovoltaisches Modul 11, während der untere Teil des Kollektors einem solarthermischen Modul 12 entspricht.
An der Unter- und somit Innenseite des transparenten Trägers 1 sind photovoltaische Elemente 2 angeordnet, welche vorzugsweise mittels einer transparenten Fixierschicht für PV-Elemente 3 an der Innenseite des transparenten Trägers 1 fixiert werden.
Diese photovoltaischen Elemente 2 sind gemäß dem Stand der Technik bezüglich semitransparenten Hybridkollektoren so angeordnet, dass sie nur einen Teil der Einstrahlungsfläche bedecken und somit Sonneneinstrahlung in den Kollektor hinein ermöglicht wird.
Unterhalb dieser Fixierschicht 3 ist erfindungsgemäß ein Isolationsraum 4 angeordnet, welcher in seiner Tiefe gemäß den speziellen territorialen Anforderungen ausgeführt wird beziehungsweise dem Transmissionsgrad des semitransparenten photovoltaischen Moduls 11 angepasst wurde.
Die Höhe des Isolationsraumes 4 wird durch den Transparenzgrad bestimmt. Messungen hierzu haben gezeigt, dass es vorteilhaft ist, die Höhe des Isolationsraumes zu erhöhen, wenn der Transparenzgrad erhöht wird, da hier die Wirkung der PV-Schicht als thermischer Schild nur noch eingeschränkt feststellbar war.
Steigt der Anteil von Photovoltaik, so sinkt der Transparenzgrad. Hier ist es vorteilhaft, den Abstand zu verringern, da die PV-Schicht als thermisches Schild fungiert und zusätzlich die erwärmten Photovoltaikzellen Wärme mittels Wärmestrahlung bei geringerem Abstand leichter an die Absorberschicht transferieren.
Dem Isolationsraum 4 schließt sich ein Absorber 5, vorzugsweise mit einer seine Wirkung verbessernden Beschichtung, eine Rohrleitung 6 für das die Wärmenergie tragende Medium eine Reflexionsschicht 7 und eine darunter angeordnete Isolierung 8 an.
Ebenso kann die Reflektionsschicht 7 als Absorbtionsschicht angeordnet werden und die Isolierung 8 erhält eine Reflektionsschicht.
Die photovoltaische Elemente 2 strahlen Wärmeenergie in das Kollektorinnere ab, da die äußere semitransparente photovoltaische Baugruppe auf Grund eines größeren Temperaturpotentials als der solarthermische Absorber einen thermischen Schild bilden, der eine Wärmeabgabe an die Umgebung verhindert.
Thermalisierung ist ein Verlustmechanismus, der eine extreme Erwärmung der Zellen bedeutet. Die Erwärmung durch den infraroten Anteil des Sonnenlichtes erzeugt so genannte Gitterschwingungen. Diese wiederum sorgen dafür, dass nicht am Ladungstrennungsprozess beteiligte Photonen mit einer höheren Wahrscheinlichkeit mit der Gitterstruktur kollidieren. Diese Photonen mit einer Energie, die größer als die Energielücke ist, regen Ladungsträger zu Zuständen an, die oberhalb der Bandkante liegen. Die Differenz zwischen Energie des angeregten Zustandes und der Energie der Bandkante wird als thermische Energie an das Kristallgitter abgegeben.
Die photovoltaische Baugruppe weist somit im Betrieb zum Vergleich mit dem Absorber 5 eine höhere Temperatur auf, wodurch eine Wärmeableitung in dieser Richtung verhindert wird.
Der Isolationsraum 4, welcher konvektive Wärmeverluste verhindert, Wärmestrahlung jedoch hindurch lässt, definiert den Abstand der photovoltaischen Baugruppe zur der in Einbaurichtung unter dem Isolationsraum 4 angeordneten solarthermischen Baugruppe.
Wird der Isolationsraum 4 in seiner Höhe maximiert, erhöht sich der elektrische Wirkungsgrad der photovoltaischen Baugruppe, da weniger Wärmeenergie vom solarthermischen Absorber 5 zu den semitransparenten PV-Modul 2 transferiert wird.
Wird der Isolationsraum 4 in seiner Höhe minimiert, so wird eine höhere Wärmeübertragung von der solarthermischen Baugruppe 5 in die photovoltaische Baugruppe 2 realisiert und der elektrische Wirkungsgrad wird minimiert, da das Betreiben von photovoltaischen Elementen über Standardtestbedingungen von 25°C Zellentemperatur verlustbehaftet ist.
Somit ist es möglich, mittels der Auswahl der Höhe des Isolationsraumes 4 den erfindungsgemäßen Kollektor den jeweiligen Bedürfnissen entsprechend einzustellen.
Je nach der entsprechenden Anforderung kann eine Einstellung nach dem jeweiligen Bedarf an elektrischer Energie beziehungsweise Wärmenergie erfolgen.
Dies erfolgt durch die Wahl des Abstandes zwischen solarthermischen Absorber 5 und dem photovoltaischen Modul 2, eine weitere Möglichkeit der Einstellung besteht in der Auswahl des Transparenzgrades des photovoltaischen Moduls 2.
Auch unter den Schutzumfang gehörend ist zu betrachten die Möglichkeit des Entfalls der transparenten Fixierschicht 3, wenn die photovoltaische Schicht 2 auf anderem Weg mit dem transparenten Träger 1 verbunden wird.
Nachfolgend soll die erfindungsgemäße Lösung anhand von Ausführungsbeispielen und den 3 bis 6 näher erläutert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 3 dargestellt. Hier wird beispielsweise ein Transparenzanteil von 60% an der Gesamtoberfläche gezeigt.
Dies wird durch das gleichmäßig verteilte Anordnen von Siliziumwafern beziehungsweise durch großflächiges Abscheiden von Dünnschichtsolarzellen, welche im Anschluss durch geeignete Verfahren in viele einzelne photovoltaische Bereiche aufgeteilt werden, erreicht.
Der Transparenzgrad ist bei der Dünnschichttechnologie vorteilhafterweise frei skalierbar, wohingegen bei Verwendung von Siliziumwafern der Transparenzgrad durch die Größe der verwendeten Wafer bestimmt wird. So kann, wie in 3 gezeigt, durch den Einsatz von 5inch-Wafern ein Transparenzgrad von 60% erreicht werden, wohingegen 6inch Wafer einen Transparenzgrad von 30% erreichen, wie in 4 gezeigt.
Die Festlegung des Transmissionsgrades kann auch durch einen lokalen photovoltaischen Sektor und einen transparenten Sektor realisiert werden. Eine vorteilhafte Auslegung der erfindungsgemäßen Lösung kann beispielsweise darin bestehen, den photovoltaischen Teil in einem Teil des Kollektors konzentriert anzuordnen.
Dabei wäre es wiederum von Vorteil, den photovoltaischen Teil unten anzuordnen, wie in 5 gezeigt.
Ein positiver Effekt wäre hierbei eine geringere thermische Belastung der photovoltaischen Zellen bei Stillstand oder geringer Wärmeabnahme, da ein Solarthermiekollektor bauartbedingt die geringste Wärmeentwicklung an dieser Stelle hat.
Im Gegensatz dazu kann man auch eine entgegen gesetzte Durchströmung wählen, wodurch eine andere Verteilung der photovoltaischen Elemente ermöglicht wird.
6 zeigt einen den Stand der Technik entsprechenden solarthermischen Kollektor. Dieser wird dadurch verändert, dass die transparente Schicht 1 durch einen entsprechenden semitransparente photovoltaische Trägerschicht ersetzt wird.
Dadurch wird es ermöglicht, bereits installierte solarthermischen Kollektoren so nachzurüsten, dass ein Kollektor gemäß der erfindungsgemäßen Lösung geschaffen wird.

Claims

Kollektor semitransparenter Bauweise zur Erzeugung elektrischer und thermischer Energie aus ausschließlich Solarenergie, dadurch gekennzeichnet, dass in einem gemeinsamen Gehäuse den oberen Teil des Kollektors bildend ein semitransparentes photovoltaisches Modul (11) angeordnet ist und nicht miteinander mechanisch in Verbindung stehend den unteren Teil des Kollektors bildend ein solarthermisches Modul (12) angeordnet ist und zwischen diesen Modulen ein Isolationsraum (4) angeordnet ist, welcher konvektive Wärmeverluste verhindernd Wärmestrahlung hindurch lässt und der Kollektor zur Einstrahlungsrichtung mittels eines transparenten Trägers (1) verschlossen ist.
Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das photovoltaische Modul gebildet ist aus einem transparenten Trägers (1), an dessen Unter- und somit Innenseite photovoltaische Elemente (2) angeordnet sind.
Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das solarthermische Modul gebildet ist aus einem Absorber (5), einer Rohrleitung (6) für das die Wärmenergie tragende Medium, einer Reflexionsschicht (7) und einer darunter angeordneten Isolierung (8).
Kollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (5) mit einer seine Wirkung verbessernde Beschichtung versehen ist.
Kollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Absorbers (5) selektiv arbeitet und somit solare Strahlung vollständig hindurch lässt und vom Absorber (5) emittierte infrarote Wärmestrahlung in den Absorber (5) zurückwirft.
Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsraum (4) in seiner Tiefe gemäß den speziellen territorialen Anforderungen auszuführen ist.
Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsraum (4) in seiner Tiefe gemäß dem Transmissionsgrad der photovoltaischen Elemente (2) zu variieren ist.
Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsraum (4) in seiner Tiefe gemäß dem Transmissionsgrad der photovoltaischen Elemente (2) und den spezifischen territorialen Anforderungen zu variieren ist.
Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erreichung der Transparenz des photovoltaischen Moduls die aufgebrachten Solarzellen auf Abstand angeordnet sind.
Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgebrachten Solarzellen kristalline Silizium-Solarzellen sind.
Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass hinter den Solarzellen des photovoltaischen Elementes der Absorber (5) keine Beschichtung aufweist und somit Strahlungsenergie von dem photovoltaischen Element 2 zu absorbieren ist.
Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionsschicht (7) als Absorptionsschicht ausgeführt und die Isolierung (8) mit einer Reflektionsschicht versehen ist.
Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (5) zur Minimierung der Wärmeverluste an die Umgebung mit einer selektiven Beschichtung versehen ist.
Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Schicht (1) eines solarthermischen Kollektors durch einen entsprechenden semitransparente photovoltaische Trägerschicht ersetzt wird.
Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor einen lokalen photovoltaischen Sektor und einen transparenten Sektor aufweist.