DE102012019116A1 - Hybrid - Solarkollektor - Google Patents

Abstract

Die gleichzeitige Bereitstellung von Wärmeenergie und elektrischen Strom erfordert eine Kollektorausbildung mit optimaler Sonnenlicht-Durchdringung. Der Hybrid-Solarkollektor ist ein kostengünstig strukturierter, dünnwandig und leichtgewichtig ausgebildeter Modulkörper (1). Er besteht im Wesentlichen aus einem als Küvette ausgebildeten lichtdurchlässigen optischen Medium (2) in der Art einer dünnwandigen geschichteten Platte mit drei Medienteilen. Die nach Brechung und Aufteilung des sichtbaren Sonnenlichtes gebildeten Infrarot- und Ultraviolett-Bereiche (4 und 5) ermöglichen eine effektive Solarthermie und eine wärmereduzierte Elektroenergieerzeugung an der Photovoltaik-Beschichtung (2.9) auf der Unterseite (2.8) oder unter dem Medienkörper auf einer Bodenplatte (3).

Description

• Die Erfindung geht von dem im Oberbegriff des Patentanspruches 1 definierten Gegenstand aus, der auf der Grundlage bekannter Technologien zur Nutzung von erneuerbaren Energien, die Nutzung von Solarenergie für Wärmeenergie und die Erzeugung von elektrischen Strom zum Gegenstand hat.
• Die gekoppelte Gewinnung beider Energiearten in und mit einem Erzeugermodul gewinnt dabei immer mehr an Bedeutung. Daher sind sogenannte Hybridkollektoren zur Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie auch bereits seit Jahren bekannter Stand der Technik. Die beispielhaft aus
• • DE 10 2008 028 489 A1
• • DE 101 02 918 A1 und
• • DE 200 10 880 V1
bekannten Hybrid-Solarkollektoren haben zu diesem Zweck ein Kollektormodul zum Inhalt, wobei das jeweilige Modul aus mehreren übereinander angeordneten voll flächig miteinander kontaktierenden platten- oder schichtenartigen Funktionskomponenten besteht. Von oben, von der Sonnenlicht-Seite aus, sind nacheinander, nach unten gerichtet,
• • ein Photovoltaik-Element, beispielsweise als Trägerplatte einer Photovoltaik-Beschichtung ausgebildet,
• • ein thermischer Bereich, beispielsweise aus einem unter dem Photovoltaik-Element direkt aufliegenden Rohrleitungssystem oder aus einer wärmeleitfähigen Hohlprofilplatte bestehend, die direkt oder indirekt als Wärmetauscher über Solarflüssigkeit oder Heizungswasser die Sonnenwärme, abgenommen vom Photovoltaik-Element, absorbiert und abführt und mindestens
• • eine Dämmschicht im unteren Teil zur Wärmeisolierung, gegenüber den benachbarten Dach- oder anderen Auflageflächen
angeordnet.
• Diese Anordnung hat den Nachteil, dass die Sonnenlichtstrahlen nicht nur mit ihren blauen kurzwelligen, für die Umwandlung in elektrische Energie benötigten, Lichtanteilen, sondern auch mit ihren roten, langwelligen, für die Wärmeerzeugung benötigten, Lichtanteilen als erstes auf die PV-Schicht treffen, was zu einer Aufheizung der Photovoltaik-Elemente, mit zerstörerischen Folgen führen kann oder gar führt. Dies erfordert aufwändige Kühlungen und Wärmeableitungen am Photovoltaik-Element. Diese Aufgaben übernehmen die Solarflüssigkeit oder das Heizungswasser mit ihrer Eigenschaft einer wirksamen Wärmeabsorbierung und eines zügigen Abflusses sowie ein hoch effektiver Wärmetauscher im Flüssigkeits-Wechselsystem.
• Mit einem hohen gerätetechnischen Strukturaufwand wird damit nicht nur eine wirksame Solarthermie sondern auch eine weitestgehend von Instandhaltungs-Unterbrechungen freie Nutzung des Photovoltaik-Elementes für die Erzeugung von elektrischer Energie gewährleistet.
• Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt deshalb das Problem zugrunde, einen Hybrid-Solarkollektor so anders auszubilden, dass bei Wandlung von Sonnenlicht in Wärmeenergie und in elektrischen Strom
• – eine Aufheizung der Photovoltaik-Elemente, ganz oder teilweise vermieden und
• – der gerätetechnische wärmeenergetische Strukturaufwand ausschließlich auf eine wirksame Solarthermie und nicht auf technische Schadensvermeidung konzentriert ist.
• Die benannten Probleme werden durch den Patentanspruch 1 gelöst. Ein als Küvette ausgebildetes lichtdurchlässiges optisches Medium in der Art einer dünnwandigen Platte besteht aus einem oberen festen Medienteil, einem mittleren flüssigen Medienteil und aus einem untern festen Medienteil die vollflächig miteinander kontaktieren. Der mittlere flüssige Medienteil ist von einem maß- und werkstoffgleich wie die beiden festen Medienteile ausgebildeten Halterahmen, in dem Vor- und Rücklauf-Rohrstutzen sowie Rohrventile stirnseitig nach außen gerichtet angeordnet sind, abgegrenzt und abgedichtet. Die Sonnenlichtstrahlen erfahren beim Durchdringen der drei Medienteile des lichtdurchlässigen optischen Mediums eine Ablenkung und Aufteilung des sichtbaren Sonnenlichtes bei einer Wellenlänge von 700 bis 800 nm in einem Infrarot-Bereich und in einem Ultraviolett-Bereich. Im ersteren werden die Wärmeanteile des sichtbaren Sonnenlichtes über den als frostresistente Solarflüssigkeit ausgebildeten flüssigen Medienteil absorbiert und als Solarthermie nutzbar. An den Kontaktstellen des Ultraviolett-Bereiches mit der Photovoltaik-Beschichtung im Modulkörper ist dann die Elektroenergie wärmefrei oder wärmereduziert erzeugbar. Die Photovoltaik-Beschichtung ist wahlweise an der Unterseite des unteren festen Medienteiles oder auf der Oberseite der separaten Bodenplatte im Modulkörper in einem gleichen aber geringen Abstand von der Unterseite des unteren festen Medienteiles angeordnet. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 angegeben. Sie betreffen:
• • den Systemumlauf des flüssigen Medienteiles und seine Art
• • die Ausbildung der Abstandshalter im lichtdurchlässigen optischen Medium
• • den Werkstoff der festen Medienteile und
• • die Dimensionierung und Ausformung von Modulen
• Die Erfindung ist mit zwei Ausführungsbeispielen in den Figuren nur prinzipiell aber vereinfacht dargestellt und im folgenden Teil der Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
• 1 eine Teilansicht mit Photovoltaik-Beschichtung an der Unterseite des Medienkörpers
• 2 eine Teilansicht mit Photovoltaik-Beschichtung auf einer separaten Bodenplatte
• 3 eine Schnittdarstellung in Pfeilrichtung A nach 2
• 4 eine Systemdarstellung mit Sonnenlicht-Durchdringung
• In den Figuren ist als wesentlichstes Funktionsteil des Hybrid-Solarkollektors das im Modulkörper 1 mittels der Stütz- und Klemmelemente 1.1 allseitig positionierte und fixierte lichtdurchlässige optische Medium 2 dargestellt. Es besteht aus dem oberen festen Medienteil 2.1, dem mittleren flüssigen Medienteil 2.2 und dem unteren festen Medienteil 2.7. Während in 1, als eine von zwei Ausbildungsvarianten, die Photovoltaik-Beschichtung 2.9 auf der Unterseite 2.8 des unteren festen Medienteiles 2.7 angeordnet ist, zeigen 2 und 4 eine Anordnung der Photovoltaik-Beschichtung 2.9 auf der Bodenplatte 3, die in einem gleichen aber geringen Abstand von der Unterseite 2.8 des unteren festen Medienteiles 2.7 angeordnet ist. Beide Fig. machen deutlich, dass der aus dem Halterahmen 2.3 und aus dem durch Solarflüssigkeit mit fluoreszenzverstärkenden Eigenschaften bestehende mittlere flüssige Medienteil 2.2 von den durchdringenden Sonnenlichtstrahlen eher als die Photovoltaik-Beschichtung 2.9 erreicht wird. Vorher fand auch die Aufteilung nach der Lichtstrahlenbrechung insofern statt, dass die roten langwelligen Lichtanteile im Infrarot-Bereich 4 ihre Wärmeanteile der Solarthermie durch die Wärmeabsorbierung der Solarflüssigkeit nutzbar machen und die blauen kurzwelligen Lichtanteile im Ultraviolett-Bereich 5 die Photovoltaik-Beschichtung 2.9, nahezu wärmefrei, kontaktieren und für die Elektroenergie-Erzeugung nutzbar sind.
• In den 3 und 4 werden außerdem die an sich bekannten System- und Funktionskomponenten
• • Vor- und Rücklauf-Rohre 6
• • Wärmetauscher 7
• • Solarflüssigkeitspumpe 6 für den Rücklauf der Solarflüssigkeit sowie
• • Brauchwasserpumpe 8 und
• • Brauchwasserspeicher 9
ergänzend dargestellt.
• Bezugszeichenliste

1

Modulkörper

1.1

Stütz- und Klemmelemente in 1

2

lichtdurchlässiges optisches Medium von 1

2.1

oberes festes Medienteil von 2

2.2

mittleres flüssiges Medienteil von 2

2.3

Halterahmen von 2.2

2.4

Abstandshalter zwischen 2.1 und 2.7

2.5

Vor- und Rücklauf-Rohrstutzen an 2.3

2.6

Vor- und Rücklauf-Rohre an 2.3

2.7

unteres festes Medienteil von 2

2.8

Unterseite von 2.7

2.9

Photovoltaik-Beschichtung an 2.8 oder auf 3

3

Bodenplatte von 1

4

Infrarot-Bereich

5

Ultraviolett-Bereich

6

Solarflüssigkeitspumpe an 2.6

7

Wärmetauscher

8

Brauchwasserpumpe

9

Brauchwasserspeicher

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102008028489 A1 [0002]
• DE 10102918 A1 [0002]
• DE 20010880 V1 [0002]

Claims (5)

1. Hybrid-Solarkollektor für die Wandelung von Sonnenlicht in Wärmeenergie und in elektrischen Strom, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Küvette ausgebildetes lichtdurchlässiges optisches Medium (2) in der Art einer dünnwandigen geschichteten Platte aus einem oberen festen Medienteil (2.1), einem mittleren flüssigen Medienteil (2.2) und einem unteren festen Medienteil (2.7), die vollflächig miteinander kontaktieren, besteht, wobei der mittlere flüssige Medienteil (2.2) von einem maß- und werkstoffgleich wie die beiden festen Medienteile ausgebildeten Halterahmen (2.3), in dem Vor- und Rücklauf-Rohrstutzen (2.5) sowie Rohrventile stirnseitig nach außen gerichtet angeordnet sind, abgegrenzt und abgedichtet ist, dass die Sonnenlichtstrahlen beim Durchdringen der drei Medienteile des lichtdurchlässigen optischen Mediums (2) eine Ablenkung und Aufteilung des sichtbaren Sonnenlichtes bei einer Wellenlänge von 700 bis 800 nm in einen einerseits entstehenden Infrarot-Bereich (4), wobei die Wärmeanteile über den als frostresistente Solarflüssigkeit ausgebildeten flüssigen Medienteil (2.2) absorbiert und als Solarthermie nutzbar sind und andererseits am entstehenden Ultraviolett-Bereich (5) an dessen Kontaktstellen mit der Photovoltaik-Beschichtung (2.9) im Modulkörper (1), wärmefrei oder wärmereduziert, Elektroenergie erzeugbar ist und dass die Photovoltaik-Beschichtung (2.9) wahlweise • an der Unterseite (2.8) des unteren festen Medienteiles (2.7) des lichtdurchlässigen optischen Mediums (2) oder • auf der Oberseite einer separaten Bodenplatte (3) im Modulkörper (1), in einem gleichen aber geringen Abstand von der Unterseite (2.8) des unteren festen Medienteiles (2.7) entfernt, von Stütz- und Klemmelementen (1.1) positioniert und gehalten, angeordnet ist.
2. Hybrid-Solarkollektor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere flüssige Medienteil (2.2) eine Solarflüssigkeit mit fluoreszenzverstärkenden Eigenschaften ist, wobei diese sich in einem ständigen Durchlauf • durch den, von dem oberen festen Medienteil (2.1), von dem in der Mitte befindlichen Halterahmen (2.3) und von dem unteren festen Medienteil (2.7) gebildeten Hohlraum hindurch und dabei um die als Barriereelemente fungierenden Abstandhalter (2.4) herum, die das Dickenmaß dieses Hohlraumes konstanthaltend positionieren, • durch die Vor- und Rücklauf-Rohrstutzen (2.5) und • durch die Vor- und Rücklaufrohre (2.6) hindurch, mittels einer • Solarflüssigkeits-Umlaufpumpe (6) andauernd in einer gleichbleibend geringen Geschwindigkeit und gut durchmischt bewegt, befindet und die absorbierte Wärme über einen • Wärmetauscher (7), einen Brauchwasserspeicher (9) und Brauchwasserpumpen (8) in bekannter Anordnung, der Nutzung zuführbar ist.
3. Hybrid-Solarkollektor nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (2.4) wahlweise als Zylinder, Kegelstümpfe, Tonnen oder als kurze ebenflächige Wandelemente ausgebildet sind.
4. Hybrid-Solarkollektor nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der obere feste und der untere feste Medienteil (2.1 und 2.7) aus einem kristallinen Spezialglas mit hoher Lichtdurchlässigkeit bestehen.
5. Hybrid-Solarkollektor nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitige Dimensionierung und Konturformung des lichtdurchlässigen optischen Mediums (2) anwendungs- und aufstellungsort-bezogen bestimmbar ist.

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