DE102010037500A1 - Solar collector for generating electrical and thermal energies, includes photovoltaic module arranged at back side, and absorber tube arranged in absorber plate - Google Patents

Solar collector for generating electrical and thermal energies, includes photovoltaic module arranged at back side, and absorber tube arranged in absorber plate Download PDF

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Abstract

The solar collector includes a photovoltaic module (1) arranged at the back side, and an absorber tube (2) arranged in an absorber plate (3). Several beads are embedded in the absorber plate. A cohesive connection is formed between the absorber tube and the absorber plate. The absorber tube is comprised of several individual tubes arranged on a manifold.

Description

Die Erfindung betrifft einen solaren Hybridkollektor zur Erzeugung elektrischer und/oder thermischer Energie.The invention relates to a solar hybrid collector for generating electrical and / or thermal energy.

Es ist bekannt, dass Fotovoltaikmodule in Verbindung mit einem thermischen Flachkollektor zur kombinierten Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie hergestellt werden. Diese Art der Bauweise wird als Hybridkollektor bezeichnet und ermöglicht die Nutzung verschiedener Spektren des Sonnenlichtes bei gleicher Nutzfläche. Damit wird der Gesamtwirkungsgrad der Anlage erhöht.It is known that photovoltaic modules are manufactured in conjunction with a flat thermal collector for the combined generation of electrical and thermal energy. This type of construction is referred to as a hybrid collector and allows the use of different spectra of sunlight with the same floor space. This increases the overall efficiency of the system.

Aus DE 009116543 ist ein derartiger Kollektor bekannt, bei dem der Absorber aus einem Träger besteht, der auf seiner Vorderseite das Fotovoltaikmodul und auf der Rückseite die Absorberrohre aufnimmt. Neben der Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie wird bei dieser Anordnung der wirkungsgraderhöhende Effekt der Kühlung des Fotovoltaikmoduls durch das vorbeiströmende Wärmeträgermedium genutzt. Der Träger des solaren Kollektors selbst ist aus einem mit mehreren Längsrippen versehenen Profilstück hergestellt, welches durch ein Strangpressverfahren hergestellt werden soll. In den Träger werden die aus Edelstahl gebildeten Absorberrohre eingelegt. Danach werden die Längsrippen an die Rohre formangepasst. Die Gesamtkonstruktion hat einen vergleichsweise einfachen Aufbau, allerdings ist das für das Trägerelement benötigte Profilstück aufwendig herzustellen und Edelstahlrohre sind im Vergleich zu Kupferrohren mit höherem Aufwand zu verarbeiten.Out DE 009116543 is such a collector is known in which the absorber consists of a carrier which receives the photovoltaic module on its front side and the absorber tubes on the back. In addition to the generation of electrical and thermal energy, the efficiency-increasing effect of the cooling of the photovoltaic module is utilized by the flowing past heat transfer medium in this arrangement. The carrier of the solar collector itself is made of a profile piece provided with a plurality of longitudinal ribs, which is to be produced by an extrusion process. In the carrier, the absorber tubes formed from stainless steel are inserted. Thereafter, the longitudinal ribs are conformed to the tubes. The overall construction has a comparatively simple structure, however, the profile piece required for the carrier element is expensive to produce and stainless steel tubes are to be processed in comparison to copper tubes with greater effort.

Aus der EP 1883118 ist ebenfalls ein gattungsgemäßer Kollektor bekannt. Dort ist an der Rückseite des Fotovoltaikmoduls eine Absorberplatte und an der Rückseite der Absorberplatte sind Absorberrohre angebracht. Auch dieser Konstruktion ist ein einfacher Aufbau zu Eigen. Nachteilig wirkt sich hier aber der geringe wärmeleitende Kontakt zwischen der Absorberplatte und dem Absorberrohr aus, was zu einer uneffektiven Wärmeübertragung führt.From the EP 1883118 is also a generic collector known. There is an absorber plate on the back of the photovoltaic module and absorber tubes are attached to the back of the absorber plate. Also, this construction is a simple structure to own. However, a disadvantage here is the low heat-conducting contact between the absorber plate and the absorber tube, which leads to an ineffective heat transfer.

Auch die Druckschrift DE 2020 09 003 904 offenbart einen solaren Hybridkollektor zur kombinierten Generierung elektrischer und thermischer Energie. Dieser Kollektor zeichnet sich dadurch aus, dass das Fotovoltaikmodul in transparente und nichttransparente Bereiche eingeteilt ist. Davon beabstandet sind zwischen den transparenten Bereichen des Fotovoltaikmodules Absorberplatten angebracht, welche in kalte Bereiche mit hoher Absorbtionsleistung und warme Bereiche mit geringer Absorbtionsleistung eingeteilt sind. Mit dieser Bauweise soll ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden, allerdings entfällt hier der positive oben erwähnte Effekt der Kühlung des Fotovoltaikmodules, da Fotovoltaikmodul und Absorber nicht wärmeleitend miteinander verbunden sind.Also the publication DE 2020 09 003 904 discloses a solar hybrid collector for combined generation of electrical and thermal energy. This collector is characterized in that the photovoltaic module is divided into transparent and non-transparent areas. Separated therefrom are absorber plates sandwiched between the transparent areas of the photovoltaic module, which are divided into cold areas with high absorption power and warm areas with low absorption capacity. With this construction, a higher efficiency is to be achieved, but here eliminates the positive effect mentioned above of the cooling of the photovoltaic module, since the photovoltaic module and absorber are not connected to each other thermally conductive.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Hybridkollektor zur Erzeugung elektrischer und/oder thermischer Energie vorzuschlagen, welcher sehr einfach herzustellen ist und eine besonders effektive Wärmeübertragung realisiert.The invention is based on the object to propose a hybrid collector for generating electrical and / or thermal energy, which is very easy to manufacture and realizes a particularly effective heat transfer.

Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit einem solaren Hybridkollektor nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen des solaren Hybridkollektors sind in den abhängigen Patentansprüchen zwei bis zwölf definiert.The object of the invention is achieved with a solar hybrid collector according to claim 1. Further embodiments of the solar hybrid collector are defined in the dependent claims two to twelve.

Der erfindungsgemäße solare Hybridkollektor ist derart aufgebaut, dass am Fotovoltaikmodul rückseitig sowohl das Absorberrohr als auch das Absorberblech anliegen. Dies wird dadurch erreicht, dass in das Absorberblech Sicken eingelassen sind, in welche das Absorberrohr eingebettet ist. Die vom Absorberblech nicht umschlossenen Teile des Absorberrohres werden durch Löten mit Lötmaterial derart ausgefüllt, dass das Absorberrohr und das Absorberblech als eine form- und stoffschlüssige Einheit an das Fotovoltaikmodul angelegt werden kann. Die Praxis hat bewiesen, dass die beschriebene Konstruktion sehr einfach herzustellen ist und die aufgenommene Wärme optimal an das im Absorberrohr geführte Wärmeträgermedium übertragen wird.The solar hybrid collector according to the invention is constructed in such a way that both the absorber tube and the absorber plate rest against the photovoltaic module on the rear side. This is achieved in that beads are embedded in the absorber sheet, in which the absorber tube is embedded. The non-enclosed by the absorber plate parts of the absorber tube are filled by soldering with solder so that the absorber tube and the absorber plate can be applied as a positive and cohesive unit to the photovoltaic module. Practice has proven that the construction described is very easy to manufacture and the heat absorbed is optimally transferred to the guided in the absorber tube heat transfer medium.

Wegen dessen sehr guter Wärmeleitfähig- und Lötbarkeit bestehen das Absorberrohr und das Absorberblech aus Kupfer. Das Absorberrohr kann in mäanderförmiger oder paralleler Bauweise ausgeführt sein. Bei paralleler Bauweise besteht das Absorberrohr aus mehreren Einzelrohren, welche am Vorlauf in einen Verteiler und am Rücklauf in einen Sammler münden. Befestigt wird die Konstruktion in einfacher Weise mittels in das Gehäuse eingeklemmter Querstreben. Diese drücken von hinten an das Absorberblech, womit Absorberblech, Absorberrohr und Fotovoltaikmodul gemeinsam an den vorderen Rahmen des Gehäuses gepresst werden. Die Querstreben sind vorzugsweise aus einem Nichtwärmeleiter, wie zum Beispiel einem Polypropylenprofil gefertigt. Für die effektive Materialverwendung beim Herstellungsprozess kann das Absorberblech auch aus mehreren Einzelblechen bestehen. Als Fotovoltaikmodule können alle Modultypen, insbesondere auf Basis von Silizium oder Dünnschichtsolarmodule eingesetzt werden, wobei sich CIS-Dünnschichtsolarmodule auf Grund ihrer geringeren Herstellungskosten und ihrer durchgängig tiefdunklen bis schwarzen Oberfläche besser für den erfindungsgemäß beschriebenen Hybridkollektor eignen.Because of its very good Wärmeleitfähig- and solderability consist of the absorber tube and the absorber sheet of copper. The absorber tube can be designed in a meandering or parallel construction. In a parallel design, the absorber tube consists of several individual tubes, which open at the flow into a manifold and the return to a collector. The construction is attached in a simple manner by means of clamped in the housing cross struts. These press from behind on the absorber sheet, whereby absorber sheet, absorber tube and photovoltaic module are pressed together to the front frame of the housing. The cross struts are preferably made of a Nichtwärmeleiter, such as a polypropylene profile. For the effective use of materials in the manufacturing process, the absorber sheet can also consist of several individual sheets. As photovoltaic modules, all types of modules, in particular based on silicon or thin-film solar modules can be used, with CIS thin-film solar modules are due to their lower production costs and their consistently deep dark to black surface better for the hybrid collector described in the invention.

Die im Fotovoltaikmodul gewonnne elektrische Energie kann in das öffentliche Stromnetz eingespeist, gespeichert, selbst oder anderweitig bzw. in verschiedenen Kombinationen genutzt werden.The electrical energy gained in the photovoltaic module can be used in the public electricity grid be fed, stored, used themselves or otherwise or in various combinations.

Dies gilt auch, wenn mehrere Fotovoltaikmodule eines Kollektors und mehrere Kollektoren zur Erzeugung von elektrischer Energie miteinander verschaltet sind.This also applies if several photovoltaic modules of a collector and several collectors are interconnected to generate electrical energy.

Das Absorberrohr des Kollektors wird über ein entsprechendes Leitungssystem an einen Wärmespeicher angeschlossen. Im Leitungssystem fließt das Wärmeträgermedium, welches vorzugsweise aus Wasser mit einem Frostschutzmittel besteht. Die über das Wärmeträgermedium abgeführte Wärme soll direkt oder mittels eines Wärmetauschers zur solaren Brauchwassererwärmung, zur Heizungsunterstützung, für eine Wärmepumpe, als Prozesswärme oder einer Kombination der genannten Möglichkeiten verwendet werden.The absorber pipe of the collector is connected via a corresponding line system to a heat storage. In the pipe system flows the heat transfer medium, which preferably consists of water with an antifreeze. The dissipated via the heat transfer medium heat is to be used directly or by means of a heat exchanger for solar service water heating, for heating support, for a heat pump, as process heat or a combination of these options.

Es ist auch möglich, dass mehrere erfindungsgemäß beschriebene Kollektoren in einem Wärmeträgermittelkreislauf thermisch miteinander verbunden sind, um die gewinnbare Energiemenge zu vergrößern.It is also possible that a plurality of collectors according to the invention described in a heat transfer medium circuit are thermally connected to each other to increase the amount of energy recoverable.

Weiterhin ist denkbar, dass die im Fotovoltaikmodul erzeugte elektrische Energie auch für die Pumpe des Wärmeträgermittels im Solarkreislauf verwendet wird.Furthermore, it is conceivable that the electrical energy generated in the photovoltaic module is also used for the pump of the heat transfer medium in the solar circuit.

Der beschriebene Kollektor kann wie üblich sowohl in selbständiger Bauweise zum Beispiel als Aufdachanlage oder beispielsweise auch in dach- oder fassadenintegrierter Bauweise ausgeführt werden.The collector described can be carried out as usual both in self-contained construction, for example as a rooftop system or, for example, in roof or façade integrated construction.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den folgenden Zeichnungen dargestellt und wird anschließend näher beschrieben. Es zeigen:An embodiment of the invention is illustrated in the following drawings and will be described in more detail below. Show it:

1 die erfindungsgemäße Anordnung des solaren Hybridkollektors in geschnittener Darstellung ohne Wärmedämmschicht, 1 the inventive arrangement of the solar hybrid collector in a sectional view without thermal barrier coating,

2 den solaren Hybridkollektor als Querschnitt, 2 the solar hybrid collector as a cross section,

3 den solaren Hybridkollektor von hinten ohne rückseitige Abdeckung des Gehäuses, ohne Wärmedämmschicht und ohne Absorberplatte mit mäanderförmigen Absorberrohren, 3 the solar hybrid collector from the rear without back cover of the housing, without thermal insulation layer and without absorber plate with meandering absorber tubes,

4 den solaren Hybridkollektor in gleicher Ansicht wie in 3, mit zueinander im Wesentlichen parallelen und endseitig miteinander verbundenen Absorberrohren. 4 the solar hybrid collector in the same view as in 3 , with absorber tubes substantially parallel to each other and connected at the ends.

Wie aus 1 hervorgeht, ist das Fotovoltaikmodul 1 mit der fotovoltaisch aktiven Seite dem Licht zugewandt. An der Rückseite des Fotovoltaikmodules 1 schließen gleichzeitig das Absorberrohr 2 und das Absorberblech 3 an. Durch das Absorberrohr 2 fließt das Wärmeträgermedium 4. In das Absorberblech 3 sind in geeigneter Weise Sicken 5 eingebracht. Diese nehmen das Absorberrohr 2 formschlüssig auf. Die verbliebenen Zwischenräume sind mit einem Werkstoff, der eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, z. B. Lot 6, ausgefüllt, so dass das Absorberblech 3 und das Absorberrohr 2 stoffschlüssig miteinander verbunden sind. In Richtung zum Fotovoltaikmodul 1 ergeben das Absorberblech 3 und das Absorberrohr 2 in Verbindung mit dem Lot 6 eine im Wesentlichen plane Fläche.How out 1 shows, is the photovoltaic module 1 with the photovoltaic active side facing the light. At the back of the photovoltaic module 1 Close the absorber tube at the same time 2 and the absorber sheet 3 at. Through the absorber tube 2 the heat transfer medium flows 4 , In the absorber sheet 3 are suitable beads 5 brought in. These take the absorber tube 2 positive locking. The remaining gaps are with a material that has good thermal conductivity, z. B. Lot 6 , filled in, leaving the absorber sheet 3 and the absorber tube 2 are cohesively connected to each other. Towards the photovoltaic module 1 give the absorber sheet 3 and the absorber tube 2 in connection with the lot 6 a substantially planar surface.

Das Absorberrohr 2 kann, wie in 3 beschrieben, in mäanderförmiger aber auch, wie in 4 beschrieben, in paralleler Bauweise ausgeführt werden. Bei paralleler Ausführung wird das Absorberrohr aus Einzelrohren 2' gefertigt, welche am Vorlauf in einem Verteiler 12 und am Rücklauf in einem Sammler 13 enden.The absorber tube 2 can, as in 3 described in meandering but also as in 4 described, be carried out in parallel construction. In parallel design, the absorber tube is made of single tubes 2 ' manufactured, which at the flow in a distributor 12 and at the return in a collector 13 end up.

Absorberblech 3, Absorberrohr 2 und das Fotovoltaikmodul 1 werden gemeinsam mittels Querstreben 7 an den oberen Teil des Gehäuses 8 gepresst. Dies wird erreicht, indem die Querstreben 7 ihrerseits in den unteren Teil des Gehäuses 8 eingeklemmt werden. Das Gehäuse 8 kann aus Aluminium- oder Holzprofilen und den notwendigen Dichtungen 9 gebildet werden und ist nach unten durch eine Bodenplatte 10 verschlossen. An der Rückseite des Absorberbleches 3 schließt die Wärmedämmschicht 11 an, welche aus verschiedenen Dämmstoffen, wie zum Beispiel PU-Schaum, Mineralwolle oder anderen geeigneten Materialien besteht. Bevorzugt ist das Fotovoltaikmodul 1 in Form eines CIS-Dünnschichtsolarmodules ausgebildet.absorber plate 3 , Absorber tube 2 and the photovoltaic module 1 be together by means of cross struts 7 to the upper part of the housing 8th pressed. This is achieved by the cross struts 7 in turn, in the lower part of the housing 8th be trapped. The housing 8th Can be made of aluminum or wood profiles and the necessary gaskets 9 be formed and is down through a bottom plate 10 locked. At the back of the absorber sheet 3 closes the thermal barrier coating 11 which consists of various insulating materials, such as PU foam, mineral wool or other suitable materials. The photovoltaic module is preferred 1 formed in the form of a CIS thin-film solar module.

Bei den Ausführungen gemäß 1 bis 3 wird ein Absorberrohr 2 mit einem runden Querschnitt verwendet.In the embodiments according to 1 to 3 becomes an absorber pipe 2 used with a round cross section.

Gemäß 4 ist es auch möglich, Absorberrohre aus Einzelrohren 2' mit einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt einzusetzen.According to 4 it is also possible absorber tubes made of single tubes 2 ' with a rectangular or square cross section.

Durch den einfachen konstruktiven Aufbau und die durch die Einbettung des Absorberrohres in das Absorberblech zur Verfügung gestellte große wärmeübertragende Fläche kann ein kostengünstiger solarer Hybridkollektor bereitgestellt werden, der einen hohen Wirkungsgrad besitzt.Due to the simple structural design and provided by the embedding of the absorber tube in the absorber sheet available large heat transfer surface, a low-cost solar hybrid collector can be provided, which has a high efficiency.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 202009003904 [0005] DE 202009003904 [0005]

Claims (12)

Solarer Hybridkollektor zur Erzeugung elektrischer und/oder thermischer Energie, wobei an einem Fotovoltaikmodul (1) rückseitig sowohl wenigstens ein Absorberrohr (2) als auch ein Absorberblech (3) anliegen und das Absorberrohr (2) formschlüssig in das Absorberblech (3) eingebettet ist.Solar hybrid collector for generating electrical and / or thermal energy, wherein on a photovoltaic module ( 1 ) at the back both at least one absorber tube ( 2 ) as well as an absorber sheet ( 3 ) and the absorber tube ( 2 ) positively in the absorber sheet ( 3 ) is embedded. Solarer Hybridkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorberblech (3) Sicken (5) enthält, in die das Absorberrohr (2) aufgenommen wird.Solar hybrid collector according to claim 1, characterized in that the absorber sheet ( 3 ) Beading ( 5 ) into which the absorber tube ( 2 ) is recorded. Solarer Hybridkollektor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Absorberrohr (2) und Absorberblech (3) besteht.Solar hybrid collector according to claim 1 and 2, characterized in that a cohesive connection between the absorber tube ( 2 ) and absorber sheet ( 3 ) consists. Solarer Hybridkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorberrohr (2) in mäanderförmiger oder paralleler Bauweise ausgeführt ist, wobei bei paralleler Bauweise das Absorberrohr (2) aus mehreren Einzelrohren (2') besteht, welche am Vorlauf in einen Verteiler (12) und am Rücklauf in einen Sammler (13) münden.Solar hybrid collector according to one of claims 1 to 3, characterized in that the absorber tube ( 2 ) is executed in meandering or parallel construction, wherein in parallel construction, the absorber tube ( 2 ) of several individual tubes ( 2 ' ), which at the flow into a distributor ( 12 ) and on the return to a collector ( 13 ). Solarer Hybridkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorberblech (3) aus einem oder mehreren Einzelblechen besteht.Solar hybrid collector according to one of claims 1 to 4, characterized in that the absorber sheet ( 3 ) consists of one or more individual sheets. Solarer Hybridkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorberblech (3), das Absorberrohr (2) und das Fotovoltaikmodul (1) gemeinsam mittels Querstreben (7) an den oberen Teil des Gehäuses (8) gepresst werden.Solar hybrid collector according to one of claims 1 to 5, characterized in that the absorber sheet ( 3 ), the absorber tube ( 2 ) and the photovoltaic module ( 1 ) together by means of transverse struts ( 7 ) to the upper part of the housing ( 8th ) are pressed. Solarer Hybridkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorberrohr (2) über ein entsprechendes Leitungssystem an einen Wärmespeicher angeschlossen ist und die über das Wärmeträgermedium abgeführte Wärme direkt oder mittels eines Wärmetauschers zur solaren Brauchwassererwärmung, zur Heizungsunterstützung, für eine Wärmepumpe, als Prozesswärme oder einer Kombination der genannten Möglichkeiten verwendet wird.Solar hybrid collector according to one of claims 1 to 6, characterized in that the absorber tube ( 2 ) is connected via a corresponding line system to a heat storage and heat dissipated via the heat transfer medium heat is used directly or by means of a heat exchanger for solar service water heating, for heating support, for a heat pump, as process heat or a combination of these options. Solarer Hybridkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Hybridkollektoren über deren Absorberrohre (2) in einen Kreislauf des Wärmeträgermediums integriert sind.Solar hybrid collector according to one of claims 1 to 7, characterized in that one or more hybrid collectors via the absorber tubes ( 2 ) are integrated in a cycle of the heat transfer medium. Solarer Hybridkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Fotovoltaikmodule (1) in einem. Hybridkollektor verbaut und elektrisch verschaltet sind.Solar hybrid collector according to one of claims 1 to 8, characterized in that a plurality of photovoltaic modules ( 1 ) in one. Hybrid collector installed and electrically interconnected. Solarer Hybridkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotovoltaikmodule (1) mehrerer Hybridkollektoren elektrisch miteinander verschaltet sind.Solar hybrid collector according to one of claims 1 to 9, characterized in that the photovoltaic modules ( 1 ) of several hybrid collectors are electrically interconnected. Solarer Hybridkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium mittels einer Pumpe transportiert wird und dass die Pumpe durch die im Fotovoltaikmodul (1) erzeugte elektrische Energie antreibbar ist.Solar hybrid collector according to one of claims 1 to 10, characterized in that the heat transfer medium is transported by means of a pump and that the pump by the photovoltaic module ( 1 ) generated electrical energy is drivable. Solarer Hybridkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieser selbstständig ausgebildet oder in Dach- und/oder Fassadenbereiche eines Gebäudes integriert ist.Solar hybrid collector according to one of claims 1 to 11, characterized in that it is self-contained or integrated in the roof and / or facade areas of a building.
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