DE102011051918A1

DE102011051918A1 - Photovoltaischer thermischer (PVT)-Kollektor

Info

Publication number: DE102011051918A1
Application number: DE201110051918
Authority: DE
Inventors: Gerald Patrick Müller
Original assignee: Schott Solar AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-07-18
Filing date: 2011-07-18
Publication date: 2013-01-24

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen photovoltaischen thermischen (PVT)-Kollektor, umfassend ein strahlungsseitiges transparentes erstes Element, eine oder mehrere entlang des ersten Elements sich erstreckende Solarzelle(n) mit zumindest Rückseitenkontakt, ein sich entlang der Rückseite der Solarzelle bzw. Solarzellen erstreckendes transparentes zweites Element und einen diesem nachgeordneten Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme auf ein ein Fluid führendes drittes Element. Um einen im Vergleich zum Stand der Technik verbesserten elektrischen und thermischen Wirkungsgrad, eine hinreichende elektrische Durchschlagsfestigkeit zwischen Zelle und Absorber und eine Beständigkeit gegen Thermoschock zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass der Rückseitenkontakt der Solarzelle(n) semitransparent oder transparent ist, dass zwischen dem ersten Element und/oder dem zweiten Element und/oder zwischen dem zweiten Element und dem Wärmeübertrager ein thermischer und elektrischer Isolator vorgesehen ist und dass das zweite Element als ein Up-Converter ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen photovoltaischen thermischen (PVT)-Kollektor, umfassend ein strahlungsseitig transparentes erstes Element, eine oder mehrere entlang des ersten Elements sich erstreckende Solarzelle(n) mit zumindest Rückseitenkontakt, ein sich entlang der Rückseite der Solarzelle bzw. Solarzellen erstreckendes transparentes zweites Element und einen diesem nachgeordneten Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme auf ein Fluid führendes drittes Element.
Ein entsprechender photovoltaischer thermischer (PVT)-Kollektor ist der DE-A-10 2007 032 116 zu entnehmen. Die Solarzelle ist dabei zwischen der Glasplatte und einer Wärmeaufnahmeplatte angeordnet, die solarzellenseitig mit einem elektrischen Isolator beschichtet ist. Die Metallplatte bildet eine Befestigung für Rohre, durch die ein Fluid zur Ableitung von Wärme strömt.
Bei einem PVT-Kollektor nach der GB-A-2 446 219 ist eine Solarzelle auf einer Metallplatte angeordnet, von der wiederum Rohre zum Führen eines Fluids ausgehen.
Ein PVT-Kollektor nach der EP-A-2 031 664 weist eine wasserführende Schicht vor der Solarzelle zur Infrarotabsorption auf.
Bekannte PVT-Kollektoren zeigen den Nachteil, dass eine optimale Nutzung der auftreffenden Strahlung nicht erfolgt. Auch treten Probleme hinsichtlich der Hochtemperatur- und Langzeitbeständigkeit sowie elektrischen Isolationsfestigkeit auf. Ein weiteres Hauptproblem liegt in der Verbindung zwischen Solarzelle und Absorber, da die elektrische Isolation dann nicht ausreicht, wenn bei Bauarten mit thermischer Isolationsschicht zwischen Außenscheibe und Absorber eine hochtemperaturleitfähige Verbindung z. B. durch Verklebung hergestellt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden und insbesondere einen PVT-Kollektor zur Verfügung zu stellen, der einen verbesserten elektrischen und thermischen Wirkungsgrad, eine hinreichende elektrische Durchschlagsfestigkeit zwischen Zelle-Absorber und eine Beständigkeit gegen Thermoschock aufweist. Ferner soll eine konstruktiv einfache Lösung zur Verfügung gestellt werden, die hochtemperatur- und langzeitbeständig ist und eine für den Anwender wirtschaftlichere Nutzung im Vergleich zu herkömmlichen PV- und Solarthermie-Bauteilen darstellt.
Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass der Rückseitenkontakt der Solarzelle(n) semitransparent oder transparent ist, dass zwischen dem ersten Element und/oder dem zweiten Element und/oder zwischen dem zweiten Element und dem Wärmeübertrager ein thermischer und elektrischer Isolator vorgesehen ist und dass das zweite Element als ein thermischer Up-Converter ausgebildet ist.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das zweite Element ein eine Up-Conversion ermöglichende Dotierung aufweisendes Glas oder eine Glaskeramik, insbesondere -platte ist. Hierbei handelt es sich insbesondere um solche, die mit Erbium, Seltene Erden, Lanthanoide, Fluoride wie Yttriumfluorid, LaFe₃, Pb_1-x, CdF₂, BaBr₂, BaCl₂, Er³⁺, Tb³⁺, Yb³⁺, Nd³⁺, Ho³⁺, Tm³⁺ dotiert sind. Bei dem Glas kann es sich um ein Fluorzirkonat-Glas handeln.
Vorzugsweise ist das vorzugsweise aus Glas bestehende erste Element eine Trägerplatte der Solarzelle(n), bei der bzw. denen es sich um Dünnschichtsolarzellen, insbesondere aus amorphem oder mikrokristallinem Silicium oder um Solarzellen aus kristallinem Material wie Silicium handeln kann. Dabei sollte zwischen der Solarzelle und dem zweiten vorzugsweise aus Glaskeramik bestehenden Element ein evakuierter oder mit Gas gefüllter Zwischenraum verlaufen, der die erforderliche elektrische und thermische Isolierung ermöglicht.
Anstelle des evakuierten und mit Gas gefüllten Zwischenraums besteht nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch die Möglichkeit, dass der Zwischenraum mit einer Schmelzklebefolie ausgefüllt ist, in der die Solarzellen eingebettet sind. Dabei muss die Schmelzklebefolie die erforderliche elektrische und thermische Isolierung sicherstellen.
Die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Element, insbesondere zwischen einer Glasplatte als erstes Element und einer Glaskeramikplatte als zweites Element, kann über metallische Randabdichtungsstreifen erfolgen, die mittels Ultraschall oder Laser verschweißt werden.
Alternativ kann eine gasdichte Abdichtung durch ein Glas vorgesehen sein, wobei das Temperaturausdehnungsverhalten der Glaskeramik an das Temperaturausdehnungsverhalten des auch als Deckglas zu bezeichnenden ersten Elements anzupassen ist.
Insbesondere handelt es sich bei dem zweiten Element um eine Glaskeramikplatte, die unter der Bezeichnung „Ceran^®” angeboten wird, wobei die unterschiedlichen Ausdehnungen der Elemente über die Abdichtung ausgeglichen wird.
Des Weiteren sieht die Erfindung vor, dass der Rückseitenkontakt der Solarzelle transparent ist, wobei es sich insbesondere um eine ITO (Indiumzinnoxid)- oder eine TCO(Transparent Conductive Oxide)-Rückseitenelektrode handelt. Hierdurch kann eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrads durch Ausnutzung des IR-Strahlungsanteils erreicht werden, insbesondere des thermischen Wirkungsgrads. Ferner wird im Vergleich zu z. B. aus Aluminium bestehenden Rückseitenkontakten, wie diese nach dem Stand der Technik bei PVT-Kollektoren vorgesehen sind, eine Temperaturbeständigkeit bei hohen Stillstandstemperaturen erreicht.
Durch den Kontakt der Solarzellen mit dem äußeren Element wie die Glasabdeckung wird die Temperatur der Zelle relativ niedrig gehalten. Zudem werden optische Verluste gering gehalten, wobei Antireflexionsschichten die Reflexionsverluste zusätzlich verringern können. Ferner bietet die Reversibilität der Anfangsdegradation durch Annealing bei Temperaturen ab ca. 100°C ein zusätzliches Leistungs- und Ertragspotential.
Zur Steigerung der thermischen Leistung wird der thermische Übergang zu dem Wärmeübertrager von Solarzelle nicht mittels Wärmeübertrag, sondern im Wesentlichen durch Wärmestrahlung durch das zweite Element auf den Wärmeübertrager erreicht. Nach dem Stand der Technik erfolgt eine Übertragung durch Wärmeleitung durch einen Isolierstoff, der zugleich als Klebverbindung zwischen der Solarzelle und dem Wärmeübertrager bzw. einem auf diesem vorhandenen Absorber dient.
Erfindungsgemäß können Wärmeverluste durch Konvektion und Wärmeleitung aufgrund der thermischen Isolierung zwischen der Solarzelle und dem zweiten Element, insbesondere durch einen evakuierten Zwischenraum zwischen diesen verhindert werden. Ferner können Strahlungsverluste durch selektive Absorberbeschichtungen auf den Wärmeübertrager stark reduziert werden.
Durch das erfindungsgemäß als Up-Converter dienende zweite Element wie Glaskeramik-Scheibe wird erreicht, dass Photonen auf höhere Energieniveaus gehoben werden mit der Folge, dass die Strahlungswellenlänge in dem Bereich liegt, die von der Solarzelle zur Erzeugung elektrischer Energie absorbiert wird. Die diesbezügliche Konvertierung erfolgt im zweiten Element, so dass von diesem über den transparenten Rückkontakt die Solarzelle mit der die elektrische Energie erzeugenden Strahlung beaufschlagt wird. Durch das Dotiermaterial und dessen Konzentration kann der Umfang der Up-Conversion eingestellt werden.
Die Dotierung des zweiten Elements besteht vorzugsweise aus Nanopartikeln, wobei als dotierte Stoffe vorzugsweise in Frage kommen: Erbium, Seltene Erden, Lanthanoide, Fluoride wie Yttriumfluorid, LaFe₃, Pb_1-x, CdF₂, BaBr₂, BaCl₂, Er³⁺, Tb³⁺, Yb³⁺, Nd³⁺, Ho³⁺, Tm³⁺.
Die Effizienz der Up-Conversion kann insbesondere dadurch gesteigert werden, dass eine thermische Trennung zwischen der Solarzelle und dem Up-Converter erfolgt. Daher ist vorzugsweise vorgesehen, dass zwischen der Solarzelle und dem entlang deren Rückseite und beanstandet zu dieser verlaufenden zweiten Element aus Glas bzw. Glaskeramik eine thermische Trennung erfolgt, die durch ein Vakuum erzeugt werden kann. Dabei wird die Temperaturdifferenz im sommerlichen Stagnationsbetrieb maximal, insbesondere dann, wenn die aus Glas bzw. Glaskeramik bestehende Platte den Absorber kontaktiert, der den Wärmeübertrager umgibt. Das hohe innere thermische Energieniveau kann somit zur Steigerung der photovoltaischen Effizienz genutzt werden.
Der thermische Up-Conversion-Effekt wird unter anderem in der Literaturstelle Henke et al.: Upconverting glasses for high-efficiency solar cells, SPIE, 10.1117/2.1200910.1811, erläutert.
Der Wärmeübertrager sollte mit einem Absorptionsmaterial beschichtet sein, der bei einer bestimmten Temperatur Wärmestrahlung abgibt, so dass das den Up-Converter bildende zweite Element mit Strahlung beaufschlagt wird, die von dem Absorber stammt. Dies sollte insbesondere bei sogenannten Stagnationstemperaturen erfolgen, die z. B. im Sommerbetrieb auftreten und im Bereich zwischen 200°C und 300°C liegen.
Bei den zum Einsatz gelangenden Solarzellen sollte es sich vorzugsweise um Dünnschichtsolarzellen mit einer Dicke zwischen 1 μm und 10 μm und bei kristallinen Solarzellen um solche mit Dicken zwischen 100 μm und 200 μm handeln.
Es besteht des Weiteren die Möglichkeit, dass das zweite Element auf seiner Rückseite, also der dem Wärmeübertrager zugewandten Seite, einen Reflektor mit Spiegeleigenschaften oder selektiven Absorptions-/Reflexionsverhalten aufweist, so dass der Anteil der Strahlung, die in der Solarzelle in elektrische Energie umgewandelt wird, erhöht werden kann.
Die Absorberschicht kann in ihrem Reflexions- und Emissionsverhalten und im spektralen Verhalten derart eingestellt sein, dass das Verhältnis maximaler Absorbtion und minimaler Emission der Strahlungsanteile optimiert wird, die nicht durch den Up-Converter und die Solarzelle verwertet werden können. Hierdurch wird die thermische Energieableitung und damit der thermische Wirkungsgrad verbessert und zugleich die verlustbehaftete Erwärmung der Solarzelle verringert.
Die Auskopplung der Wärme über den Wärmeübertrager erfolgt insbesondere über einen Träger aus Leichtmetall oder Buntmetall, von dem das das Fluid führende dritte Element wie ein Rohr bzw. Rohrregister ausgeht. Der Träger sollte sodann die den mit den zuvor erläuterten Eigenschaften aufweisenden Absorber aufweisen, bzw. selbst ein entsprechender Absorber sein.
Besteht der erfindungsgemäße PVT-Kollektor vorzugsweise aus plattenförmigen Elementen, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass das erste Element die Form eines Rohrs aufweist, innerhalb dessen koaxial zueinander die Solarzelle bzw. Solarzellen, das zweite Element, der Absorber und das dritte Element angeordnet sind. Dabei sollte insbesondere der Zwischenraum zwischen dem ersten Element und der bzw. den Solarzelle(n) evakuiert sein. Eine Befüllung mit Öl oder Gas ist gleichfalls möglich, sofern die gewünschten isolierenden Eigenschaften gegeben sind.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 einen Ausschnitt eines PVT-Kollektors in Prinzipdarstellung,
2 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines PVT-Kollektors in Prinzipdarstellung,
3 eine erste Anordnung von PVT-Kollektoren in Rohrform,
4 eine zweite Anordnung von PVT-Kollektoren in Rohrform und
5 eine Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungsform eines PVT-Kollektors.
In den 1 bis 4 , in denen grundsätzlich für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden, sind verschiedene Ausführungsformen und Anordnungen von photovoltaischen thermischen Kollektoren 10, 12 dargestellt, die abgekürzt auch als PVT-Kollektoren bezeichnet werden.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform eines plattenförmigen PVT-Kollektors 10 ist der 1 zu entnehmen.
Der PVT-Kollektor 10 weist ein als erstes Element bezeichnetes Frontglas 14 auf, das z. B. ein Borosilikatglas sein kann. Auf der strahlabgewandten Seite des Frontglases 14 sind z. B. durch Aufdampfprozesse Solarzellen 16, 18 aufgetragen.
Bei den Solarzellen 16, 18, die in Reihe oder parallel miteinander verschaltet sein können, handelt es sich insbesondere um Dünnschichtsolarzellen einer Dicke zwischen 1 μm und 10 μm, wobei vorzugsweise amorphes oder mikrokristallines Silicium als Solarzellenmaterial zu nennen ist.
Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass es sich bei den Solarzellen 16, 18 um sehr dünne kristalline Solarzellen (Dicke < 150 μm) wie solche aus kristallinem Silicium handelt, die einen höheren Anteil IR-Strahlung durchlassen. Andere geeignete Solarzellen kommen gleichfalls in Frage.
Die Solarzellen 16, 18 weisen einen transparenten Frontkontakt vorzugsweise aus TCO oder ITO sowie einen transparenten Rückseitenkontakt aus TCO oder ITO auf. Über diese werden die Solarzellen 16, 18 verschaltet. Die Solarzellen 16, 18 können durch Lötbändchen oder durch Klebeverbindung verschaltet sein.
Die Erfindung wird auch dann nicht verlassen, wenn die Solarzellen 16, 18 Rückseitenkontaktsolarzellen sind, die über ausschließlich entlang der Rückseiten verlaufende Verbinder verschaltet werden.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 verläuft beabstandet zu der Rückseite der Solarzelle 16, 18 eine als zweites Element bezeichnete Glas- oder Glaskeramikscheibe 20, die Up-Conversions-Eigenschaften aufweist. Dies bedeutet, dass Photonen auf höhere Energieniveaus gehoben werden mit der Folge, dass die Wellenlänge der konvertierten Strahlung zur Erzeugung von elektrischer Energie in den Solarzellen 16, 18 geeignet ist. Als Dotier-Materialien, die die Up-Conversion ermöglichen, kommen insbesondere Erbium, Seltene Erden, Lanthanoide, Fluoride wie Yttriumfluorid, LaFe₃, Pb_1-x, CdF₂, BaBr₂, BaCl₂, Er³⁺, Tb³⁺, Yb³⁺, Nd³⁺, Ho³⁺, Tm³⁺ in Frage. Als Glas kann Fluorzirkonat-Glas eingesetzt werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei der aus Glaskeramik bestehenden Scheibe 20 um eine solche aus Ceran^®.
Strahlenabgewandt ist die Glasscheibe 20 mit einem Absorber 24 als drittes Element verbunden, der bzw. das strahlenzugewandt eine Oberflächenbeschichtung aufweist. Das dritte Element bzw. der Absorber 24 bildet mit Rohren 26, 28, 30 einen Wärmeübertrager bildet, um thermische Energie an ein in den Rohren 26, 28, 30 strömendes Fluid wie Flüssigkeit zu übertragen.
Die Absorberschicht 22 ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass im gewünschten Umfang Wärme an den Wärmeübertrager 24 übergeben oder Wärme abgestrahlt wird, um in der auch als Up-Converter bezeichneten Glasscheibe 20 Strahlung zu erzeugen, die in den Solarzellen 16, 18 in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Eine Wärmeabstrahlung erfolgt maximal dann, wenn in dem Fluid und damit den Wärmeübertrager 24 eine Stagnationstemperatur herrscht, also die Entnahmen von Wärmeenergie reduziert ist, wie dies im Sommerbetrieb der Fall ist.
Der Zwischenraum 21 zwischen den Solarzellen 16, 18 und der zweiten Glas- oder Glaskeramikscheibe 20, der mit dem Bezugszeichen 21 gekennzeichnet ist und eine Höhe zwischen 1 mm und 20 mm aufweisen kann, soll eine thermische und elektrische Isolierung sicherstellen. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass der Zwischenraum 21 evakuiert ist. Ein geeignetes die gewünschten Eigenschaften sicherstellendes Gas kann gleichfalls verwendet werden.
Durch den isolierenden Zwischenraum 21 werden Wärmeverluste durch Konvektion und Wärmeleitung verhindert.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass die Glasscheibe 14 eine Antireflexionsschicht aufweist, um Reflexionsverluste zu verringern.
Durch den unmittelbaren Kontakt zwischen den Solarzellen 16, 18 und der Glasscheibe 14 wird die Temperatur in den Solarzellen 16, 18 relativ niedrig gehalten, jedoch auf eine Temperatur, die eine Reversibilität der Anfangsdegradation durch Annealing bei Temperaturen ab ca. 100°C ermöglicht.
Um den Zwischenraum 21 abzudichten, werden die Ränder der ersten und zweiten Elemente, also der Glasscheibe 14 und der Glas- bzw. Glaskeramikscheibe 20 entsprechend abgedichtet. Dies kann durch Verschweißen der Scheiben 14, 28 mit metallischen Randabdichtungsstreifen mittels Ultraschall oder Laser oder anderen geeigneten Maßnahmen erfolgen.
Ist im Ausführungsbeispiel der 1 der Zwischenraum 21 zwischen den Solarzellen 16, 18 und der Scheibe 20 vorhanden, so besteht ohne Weiteres auch die Möglichkeit, das alternativ oder ergänzend ein Zwischenraum zwischen der ersten oder Frontscheibe 14 und den Solarzellen 16, 18 und/oder zwischen der Glaskeramikscheibe 20 und dem Absorber 22 vorliegt.
Um sowohl einen Zwischenraum zwischen den Solarzellen 16, 18 und der Frontscheibe 14 als auch zwischen den Solarzellen 16, 18 und der strahlenabgewandten Glaskeramikscheibe 20 auszubilden, können die zu einem Modul verschalteten Solarzellen 16, 18 oder die Glassplatte 14 von entsprechenden Abstandshaltern aufgenommen werden.
Der 2 ist eine weitere Ausführungsform eines PVT-Kollektors 12 zu entnehmen, der eine Rohrform aufweist.
Entsprechend der Darstellung gemäß 2 besteht der Rohr-PVT-Kollektor 12 aus einem Außenrohr 32, z. B. aus Borosilikatglas mit gegebenenfalls antireflektierender Oberfläche. Beabstandet zu dem Außenrohr 32 und einen Zwischenraum 34 begrenzend sind koaxial zum Außenrohr 32 Solarzellen 36 auf einem Innenrohr 38 angeordnet, das dem zweiten Element gemäß 1 entspricht. Das Innenrohr 38 weist Up-Conversions-Eigenschaften auf und besteht insbesondere aus Glaskeramik, Borosilikatglas oder einem anderen geeigneten Glaswerkstoff. Insoweit wird auf obige Ausführungen verwiesen.
Sind im Ausführungsbeispiel auf der gesamten Außenumfangsfläche des Innenrohrs 38 Solarzellen 36, die denen im Ausführungsbeispiel gemäß 1 entsprechen können, angeordnet, so besteht auch die Möglichkeit, dass die Solarzellen 36 ausschließlich in dem Bereich des Innenrohrs 38 vorgesehen sind, die der direkten Lichtstrahlung ausgesetzt sind.
Das Innenrohr 38 weist eine einen Absorber bildende Innenbeschichtung 40 auf, die gewünschte Absorbtions- und Reflexionseigenschaften aufweist. Innerhalb des Innenrohrs 38, also von dem Absorber 40 begrenzt, strömt der Wärmeträger, um thermische Energie zu übertragen.
Zu dem Zwischenraum 34 ist anzumerken, dass dieser evakuiert sein kann. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Zwischenraum 34 mit einem geeigneten Gas oder Öl zu füllen.
Ist im Ausführungsbeispiel der 2 der Innenraum 42 vollständig von einem Wärmeträger wie Flüssigkeit durchströmt, so besteht auch die Möglichkeit, das im Innenraum 42 und in dessen Längsrichtung Wärmeträgerrohre verlaufen, die unmittelbar oder über einen Wärmeträger, der z. B. aus Leicht- oder Buntmetall bestehen kann, wie dem Innenrohr 38, verbunden sind.
Den 3 und 4 sind bevorzugte Anordnungen von Rohr-PVT-Kollektoren 12 entsprechend der 2 zu entnehmen. So können entsprechende Rohr-Kollektoren 12 in Kollektorwannen 44 angeordnet sein, die eine stark reflektierende Oberfläche aufweisen. Auch besteht entsprechend der 4 die Möglichkeit, die strahlabgewandt von entsprechenden Kollektorwannen 44 umgebenden Rohr-PVT-Kollektoren 12 als Dachbauelement zur funktionalen Dachintegration zu nutzen. Im Ausführungsbeispiel sind entsprechende Einheiten aus Kollektorwannen 44 und Rohr-PVT-Kollektoren in ein aus Trapezblechen 46 bestehendes Dach integriert.
Unabhängig hiervon ist zu den Absorber 24 und 40 Folgendes anzumerken. Bei einem plattenförmigen Absorber wie dem Absorber 24 kann als Material Kupfer oder Aluminium benutzt werden. Bei den rohrenförmigen Absorber 40, die auch C-förmig ausgebildet sein können, werden als Materialen Glas, Kupfer und Aluminium bevorzugt. Die jeweiligen Absorber 24, 40 können Oberflächenbeschichtungen mit selektiver Charakteristik derart aufweisen, dass eine maximale Wärmeaufnahme und minimale Abstrahlung erfolgt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass eine maximale Abstrahlung in dem Spektralbereich erfolgt, der über die Up-Conversion in photovoltaisch wandelbare Spektren umgesetzt wird.
In der 5 ist eine weitere Ausführungsform eines PVT-Kollektors 100 dargestellt, der vom prinzipiellen Aufbau dem der 1 entspricht. So umfasst der PVT-Kollektor 100 eine Frontglasscheibe 114, die z. B. als Borosilikatglas ausgebildet sein kann. Beabstandet zu dem Frontglas 114 ist eine Glas- oder Glaskeramikscheibe 120 vorgesehen, die Up-Conversions-Eigenschaften aufweist. Strahlabgewandt ist die Glas- oder Glaskeramikscheibe 120 mit einem Absorber 124 verbunden, die strahzugewandt eine Oberflächenbeschichtung aufweist. Die Absorberschicht 124 ist mit Rohren 126, 128, 130 verbunden, die mit der Absorberschicht 124 einen Wärmeübertrager bilden.
Insoweit wird auf die Erläuterung der 1 und die technischen Wirkungen verwiesen.
Abweichend vom Ausführungsbeispiel der 1 sind Solarzellen 116, 118 nicht auf der Rückseite des Frontglases 114 angeordnet, sondern in einem den Zwischenraum zwischen dem Frontglas 114 und der rückseitigen Glas- bzw. Glaskeramikscheibe 120 ausfüllenden Schmelzklebematerial 132 eingebettet. Dabei ist die Dicke des Zwischenraums bzw. sind die Materialeigenschaften der Schmelzklebeschicht 132, die als Schmelzklebefolie ausgebildet sein kann, derart ausgelegt, dass die erforderliche elektrische und thermische Isolierung zwischen der Frontscheibe 114 und der rückseitigen Glas- bzw. Glaskeramikscheibe 120 sichergestellt ist.
Bezüglich der weiteren Wirkungsweisen bzw. Aufbau und Verschaltung und Art der Solarzellen 116, 118 wird auf die Ausführungen der 1 bis 4 verwiesen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007032116 A [0002]
GB 2446219 A [0003]
EP 2031664 A [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Henke et al.: Upconverting glasses for high-efficiency solar cells, SPIE, 10.1117/2.1200910.1811 [0021]

Claims

Photovoltaischer thermischer (PVT)-Kollektor (10, 12, 100), umfassend ein strahlungsseitiges transparentes erstes Element (14, 32, 114), eine oder mehrere entlang des ersten Elements sich erstreckende Solarzelle(n) (16, 18, 116, 118) mit zumindest Rückseitenkontakt, ein sich entlang der Rückseite der Solarzelle bzw. Solarzellen erstreckendes transparentes zweites Element (20, 120) und einen diesem nachgeordneten Wärmeübertrager (22, 24, 40, 120) zur Übertragung von Wärme auf ein ein Fluid führendes drittes Element, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückseitenkontakt der Solarzelle(n) (16, 18, 116, 118) semitransparent oder transparent ist, dass zwischen dem ersten Element (14, 32, 114) und/oder dem zweiten Element (20, 38, 120) und/oder zwischen dem zweiten Element und dem Wärmeübertrager (22, 24, 40) ein thermischer und elektrischer Isolator vorgesehen ist und dass das zweite Element als ein Up-Converter ausgebildet ist.
Photovoltaischer thermischer (PVT)-Kollektor (10, 12, 100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Element (20, 38, 120) ein(e) eine Up-Conversion ermöglichende Dotierung insbesondere in Form von Nanopartikeln aus z. B. Erbium, Seltene Erden, Lanthanoide, Fluoride wie Yttriumfluorid, LaFe₃, Pb_1-x, CdF₂, BaBr₂, BaCl₂, Er³⁺, Tb³⁺, Yb³⁺, Nd³⁺, Ho³⁺, Tm³⁺ aufweisendes Glas oder aufweisende Glaskeramik ist.
Photovoltaischer thermischer (PVT)-Kollektor (10, 12, 100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (16, 18) einen Frontseiten- und/oder Rückseitenkontakt aus ITO oder TCO aufweist oder aus Bifacialzelle ausgeübt ist.
Photovoltaischer thermischer (PVT)-Kollektor (10, 12, 100) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (16, 18, 116, 118) eine Dünnschichtsolarzelle, insbesondere aus amorphem oder mikrokristallinem Silicium, oder eine Solarzelle aus kristallinem Material, wie aus sehr dünnen Silicium, vorzugsweise eine Dicke < 150 μm, ist.
Photovoltaischer thermischer (PVT)-Kollektor (10, 12, 100) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische und thermische Isolierung ein mit Gas gefüllter oder evakuierter Zwischenraum (21, 34) oder durch eine Schmelzklebefolie und/oder -schicht (132) gebildet ist.
Photovoltaischer thermischer (PVT)-Kollektor (10, 12, 100) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (22, 40) als Absorberschicht ausgebildet ist, die auf einem insbesondere aus Leicht- oder Buntmetall bestehendem Träger (24, 124) aufgebracht ist, von dem das das Fluid führende dritte Element (26, 28, 30, 126, 128, 130) wie Rohr oder Rohrregister ausgeht.
Photovoltaischer thermischer (PVT)-Kollektor (10, 12, 100) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (22, 40) bei Stagnationstemperatur des die Wärme übertragenden Fluids mehr Wärmestrahlung emittiert als unterhalb der Stagnationstemperatur.
Photovoltaischer thermischer (PVT)-Kollektor (10, 12) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (14) Träger der Solarzelle ist.
Photovoltaischer thermischer (PVT)-Kollektor (10, 12) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Element (14, 20) eine Plattenform aufweisen und dass der Zwischenraum (21) zwischen dem ersten und dem zweiten Element über deren Ränder insbesondere über einen metallischen Randabdichtungsstreifen gasdicht abgedichtet ist.
Photovoltaischer thermischer (PVT)-Kollektor (12) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der PVT-Kollektor (12) eine Rohrform mit einem Außenrohr (12), einen innerhalb von diesem koaxial angeordneten Innenrohr (38), auf dem Innenrohr angeordneten Solarzellen und auf Innenfläche des Innenrohrs angeordnetem Absorber (40) aufweist, wobei von dem Innenrohr umgebener Innenraum (42) von einem Wärme übertragendem Fluid durchströmbar ist.
Photovoltaischer thermischer (PVT)-Kollektor (12) nach zumindest Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (42) zwischen dem Außenrohr (32) und dem Innenrohr (38) bzw. der bzw. den Solarzelle(n) evakuiert oder mit Öl oder Gas gefüllt ist.