DE10207852A1 - Solar-Kollektor - Google Patents
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Abstract
Solar-Kollektor (3) mit einem Photovoltaikelement (19) zur Gewinnung von elektrischer Energie und einem thermischen Absorber (8) zur Gewinnung thermischer Energie, bei dem das Photovoltaikelement (19) auf einer dem Licht (21) zugewandten Seite (22) des Solar-Kollektors (3), abgedeckt durch eine Glasscheibe (15), angeordnet ist und dass der thermische Absorber (8) sich auf der dem Licht (21) abgewandten Seite (23) des Photovoltaikelements (19), von diesem getrennt durch eine elektrische Isolierung (7), befindet.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Solar-Kollektor gemäß den Oberbegriffen der unab
hängigen Ansprüche.
Bei bekannten Solarkollektoren wird entweder Energie solarthermisch oder photovoltaisch
genutzt. Einige Schutzrechtsanmeldungen sehen eine Kombination vor. So werden in
DE 29 81 4206, DE 198 37 161 und DE 27 55 219 jeweils eine Kombination eines Photovoltaik-
und Warmwasserkollektors nebeneinander in einer Einheit beschrieben. Diese Erfindungen
haben jedoch keine wesentlichen Vorteile gegenüber zwei getrennten Systemen, da beide
Subsysteme jeweils eigene Kollektorflächen benötigen und sich nicht gegenseitig positiv
beeinflussen. DE 198 16 294 beschreibt eine kombinierte Einheit von Solarkollektoren mit
Photovoltaik, bei der das Sicherheitsglas des Sonnenkollektors durch transparente Photo
voltaik-Elemente ersetzt wird; der Aufbau eines solchen transparenten Photovoltaik-Ele
ments ist dabei nicht beschrieben; solche Elemente sind nicht marktgängig.
Photovoltaikzellen gemäß des Standes der Technik besitzen die Eigenschaft, dass der elek
trische Wirkungsgrad bei Erhöhung der Temperatur der lichtzugewandten Seite des Kollek
tors abnimmt. Dies hat zur Folge, dass bei starker Sonneneinstrahlung zwar viel Solarener
gie zur Verfügung steht, der Wirkungsgrad des Kollektors aufgrund der hohen Kollektor
temperatur jedoch gering ist. Umgekehrt ist bei niedriger Sonneneinstrahlung der Wirkungs
grad aufgrund der relativ geringen Temperatur zwar hoch, die absolute Energieausbeute
jedoch niedrig.
Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und gleichzeitig Solarenergie solar
thermisch und photovoltaisch bei hohen Teil- und Gesamtwirkungsgraden zu nutzen.
Erfindungsgemäß wird dies bei einem Solarkollektor der eingangs erwähnten Art durch die
kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen wird der elektrische Wirkungsgrad durch die Küh
lung der Photovoltaik-Elemente erhöht und gleichzeitig ein erheblicher Anteil der restlichen
Solarenergie thermisch genutzt.
Außerdem ergibt sich auch der Vorteil, dass die Photovoltaik-Elemente aufgrund der hö
heren Energiedichte bei gleicher Energiemenge eine geringere Fläche benötigen als kon
ventionelle Photovoltaik-Elemente, wodurch nicht nur der Materialverbrauch, sondern auch
die Kosten reduziert werden.
Durch die Merkmale des Anspruches 1 ergibt sich der Vorteil, dass zunächst die exergetisch
wertvollere Energie Strom mit hohem Wirkungsgrad erzeugt wird, ehe aus der restlichen
Solarenergie thermische Energie genutzt wird (vgl. Fig. 1).
Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, dass auf eine elektrische Iso
lierung zwischen den Elektroden und dem Absorber verzichtet kann, wenn der Absorber von
einem elektrisch nicht leitenden Medium durchströmt wird.
Durch die Merkmale des Anspruches 3 ergibt sich der Vorteil einer direkten Kühlung der
lichtzugewandten Seite der photovoltaischen Elemente (vgl. Fig. 2).
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 sind der thermische Absorber und die photovol
taischen Elemente voneinander elektrisch isoliert, um einen elektrischen Kurzschluß zu ver
meiden. Auch wenn ein nicht elektrisch leitendes Medium den Absorber durchströmt, so
könnten beispielsweise Schmutzteilchen einen Kurzschluß erzeugen.
Durch die Merkmale des Anspruchs 5 ergibt sich der Vorteil, dass durch ein flüssiges Kühl
medium ein guter Wärmeübergang stattfinden kann.
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 kann der Absorber z. B. auch unmittelbar Wärme
für eine Luftheizung aufnehmen.
Durch die Merkmale des Anspruchs 7 ergibt sich der Vorteil, dass - vorzugsweise wenn
keine thermische Energie benötigt wird - thermische Energie abgeführt werden kann und
somit der Kollektor gekühlt wird, was den elektrischen Wirkungsgrad der photovoltaischen
Elemente erhöht.
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 wird Energie zur Kühlung des Kollektors von den
Photovoltaik-Elementen bezogen. Da der Wirkungsgrad eines gekühlten Photovoltaik-Ele
ments größer ist als das eines ungekühlten, wird der erhöhte Eigenenergiebedarf im Idealfall
durch die erhöhte Stromproduktion nicht nur kompensiert, sondern sogar übertroffen.
Durch die Merkmale des Anspruchs 9 ergibt sich der Vorteil, dass eine Kühlung auch über
das flüssige Kühlmedium in Verbindung mit einem Wärmeübertrager und gegebenenfalls
einem Gebläse zur Umgebung erfolgen kann.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen die Fig. 1 und
2 schematisch zwei verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Solarkol
lektors. Die Fig. 3 und 4 zeigen vorteilhafte Varianten der Ausführungsform aus Fig. 1.
Ein erfindungsgemäßer Solarkollektor 3 gemäß Fig. 1 verfügt über eine transparente Glas
scheibe 15 auf der Kollektoroberseite 14. Darunter befindet sich ein Hohlraum 20 und wie
derum parallel zu der Glasscheibe 15 ein Photovoltaikelement 19, das aus einer Silizium
scheibe 1 und Elektroden 2 auf einer dem Licht 21 zugewandten Seite 22 sowie Elektroden
4 auf der lichtabgewandten Seite 23 besteht. Die Elektroden 2 und 4 verfügen über einen
elektrischen Anschluß 6. Die Siliziumscheibe 1 und die Elektroden 4 sind durch eine elektri
sche Isolierung 7, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, von einem thermischen Absor
ber 8 getrennt. Dieser Absorber 8 verfügt über einen Einlauf 9 und einen Auslauf 10, die
über ein Leitungssystem 24, einen Wärmeübertrager 12 und eine Kühlmittelpumpe 11 einen
Kreislauf bilden.
Sonnenstrahlen des Lichtes 21 gelangen durch die transparente Glasscheibe 15 auf das
Photovoltaikelement 19. Zwischen den Elektroden 2 auf der lichtzugewandten Seite 22
sowie den Elektroden 4 auf der lichtabgewandten Seite 23 wird hierdurch eine Spannung,
die an dem elektrischen Anschluß 6 abgegriffen werden kann, induziert. Der Absorber 8 wird
von einem Kühlmittel durchströmt. Das Kühlmittel wird in einem Kreislauf von der Kühl
mittelpumpe 11 gefördert, gelangt durch den Einlauf 9 in den Absorber 8 und aus dem Aus
lauf 10 aus diesem heraus. Der Absorber 8 nimmt thermische Energie auf, die durch die
Strahlungswärme der Sonnenstrahlen am Photovoltaikelement 19 entsteht. Die Kühlmittel
pumpe 11 fördert das erwärmte Kühlmedium vom Absorber 8 zu dem Wärmeaustauscher
12, in dem die Wärme an einen Heizkreislauf 13 abgegeben wird. Bei diesem Vorgang wird
das Photovoltaikelement 19 gekühlt, wodurch der elektrische Wirkungsgrad des Photovol
taikelements 19 steigt. Der Solarkollektor 3 ist allseitig - bis auf die dem Licht 21 zuge
wandte Seite 22 - mit einer Dämmschicht 16 versehen.
Bei der Ausführungsform eines Solarkollektors 5 nach der Fig. 2 wird das Photovoltaikele
ment 19 aus der Siliziumscheibe 1 und den Elektroden 2 auf der lichtzugewandten Seite 22
sowie den Elektroden 4 auf der lichtabgewandten Seite 23 luftgekühlt. Der Solarkollektor 5
verfügt über die Glasscheibe 15, die einen Absorberraum 18 zur Umgebung abgrenzt, auf
der lichtzugewandten Seite 22. Das Photovoltaikelement 19 ist parallel zu der Glasscheibe
15 im Abstand ausgerichtet. Glasscheibe 15, Photovoltaikelement 19 sowie die gedämmten
Seitenwände 16 bilden den Absorberraum 18. Ein Gebläse 17 fördert die Luft für eine nicht
dargestellte Luftheizung durch den Solarkollektor 5, wobei sich die Luft im Absorber 18
zwischen Glasscheibe 15 und Photovoltaikelement 19 aufheizt. Auch hierdurch wird das
Photovoltaikelement 19 gekühlt, der elektrische Wirkungsgrad gesteigert und gleichzeitig
thermische Energie genutzt.
Das Photovoltaikelement 19 dient dem Erzeugen elektrischer Energie und der Absorber 18
bzw. 8 zur Erzeugung thermischer Energie.
Bei der Ausführungsform eines Solarkollektors 3 nach der Fig. 3 ist der Hohlraum 20 zwi
schen der Glasscheibe 15 und dem Photovoltaikelement 19 zwischen einer Zuleitung 36 und
einer Abführung 27 gelegen. Die Abführung 27 führt zu einem Ventil 28, die Zuleitung 36 zu
einem Gebläse 17, das über einen Motor 25 verfügt. Der Motor 25 ist über eine elektrische
Verbindung 26 mit dem elektrischen Anschluß 6 des Photovoltaikelements 19 und der
Schaltleitung 35 mit einer Regelung 32 verbunden. Die Regelung 32 steht über eine Daten
leitung 33 in Kontakt zu einem Temperaturfühler 31, dessen Meßspitze 37 sich im Hohlraum
20 zwischen der Glasscheibe 15 und dem Photovoltaikelement 19 befindet. Die Regelung 32
steht ferner über eine Datenleitung 39 in Kontakt zu einem Antrieb 38 des Ventils 28. Der
Antrieb 38 ist über eine elektrische Verbindung 40 mit dem elektrischen Anschluß 6 des
Photovoltaikelements 19 verbunden.
Der Temperaturfühler 31 mißt die Temperatur im Hohlraum 20 zwischen der Glasscheibe 15
und dem Photovoltaikelement 19 und gibt den Meßwert über die Datenleitung 33 an die Re
gelung 32 weiter. In der Regelung 32 ist ein Schaltwert gespeichert. Überschreitet die Tem
peratur im Hohlraum 20 diesen Schaltwert, so gibt die Regelung 32 über die Datenleitung 35
ein Signal zum Starten des Motor 25 des Gebläses 17 und über die Datenleitung 39 zum
Öffnen des Ventils 28 über dessen Antrieb 38. Motor 25 und Antrieb 38 werden vom Photo
voltaikelement 19 mit Strom versorgt. Über das Gebläse 17 und die Zuleitung 36 wird
Frischluft aus der Umgebung in den Hohlraum 20 zwischen der Glasscheibe 15 und dem
Photovoltaikelement 19 geleitet. Über die Abführung 27 und das geöffnete Ventil 28 kann
erhitze Luft aus dem Hohlraum 20 in die Umgebung entweichen. Somit wird das
Photovoltaikelement 19 gekühlt, wodurch dessen elektrischer Wirkungsgrad steigt. Hier
durch kann das Photovoltaikelement auch dann mit hohem elektrischen Wirkungsgrad be
trieben werden, wenn an dem Wärmetauscher 12 keine Wärme abgenommen wird.
In Fig. 4 ist eine Kühlung des Heizkreislaufs dargestellt. Im Leitungssystem 24 befindet sich
ein zusätzlicher Wärmetauscher 29, der sekundärseitig an eine Luftleitung 30 angeschlos
sen ist. In dieser Luftleitung befindet sich ein Gebläse 17, das über einen Motor 25 verfügt.
Dieser Motor ist über eine Datenleitung 34 mit einer Regelung 32 und eine elektrische Ver
bindung 26 mit dem elektrischen Anschluß 6 des Photovoltaikelements 19 verbunden. Wie
in Fig. 3 ist im Hohlraum 20 ein Temperaturfühler 31 mit Meßspitze 37 angeordnet, der über
die Datenleitung 33 mit der Regelung verbunden ist.
Soll Wärme aus dem System abgeführt werden, was durch eine bestimmte Mindesttempe
ratur des Temperaturfühlers 31 vorgegeben wird, so gibt die Regelung 32 das Signal zum
Starten des Gebläses 17, das Luft durch den Wärmetauscher 29 fördert und dabei Wärme
aufnimmt und anschließend über die Luftleitung 30 an die Umgebung abgibt. Damit Wärme
aus dem Solarkollektor 3 abgeführt werden kann, muß die Kühlmittelpumpe 11 das Kühlme
dium fördern.
Claims (8)
1. Solar-Kollektor (3) mit einem Photovoltaikelement (19) zur Gewinnung von
elektrischer Energie, angeordnet auf einer dem Licht (21) zugewandten Seite
(22) des Solar-Kollektors (3) und vorzugsweise abgedeckt durch eine
Glasscheibe (15) und einem thermischen Absorber (8) zur Gewinnung thermi
scher Energie, der sich auf der dem Licht (21) abgewandten Seite (23) des
Photovoltaikelements (19) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der
thermische Absorber (8) von einem elektrisch nicht leitenden Mittel, z. B. Luft,
gekühlt wird.
2. Solar-Kollektor (5) mit einem Photovoltaikelement (19) zur Gewinnung von
elektrischer Energie, angeordnet auf einer dem Licht (21) zugewandten Seite
(22) des Solar-Kollektors (3) und abgedeckt vorzugsweise durch eine
Glasscheibe (15) und einem thermischen Absorber (18) zur Gewinnung
thermischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ab
sorber (18) sich auf der dem Licht (21) zugewandten Seite (22) des
Photovoltaikelements (19) befindet.
3. Solar-Kollektor (3, 5) mit einem Photovoltaikelement (19) zur Gewinnung von
elektrischer Energie und einem thermischen Absorber (18) zur Gewinnung
thermischer Energie nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die photovoltaischen Elemente (19) und der thermischen Absorbers (8,
18) durch eine elektrische Isolierung (7) voneinander getrennt sind.
4. Solar-Kollektor (3) mit einem Photovoltaikelement (19) zur Gewinnung von
elektrischer Energie und einem thermischen Absorber (8) zur Gewinnung
thermischer Energie nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der thermische Absorber (8) von einen flüssigen
Medium durchströmt wird.
5. Solar-Kollektor (3, 5) mit einem Photovoltaikelement (19) zur Gewinnung von
elektrischer Energie und einem thermischen Absorber (8, 18) zur Gewinnung
thermischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass der thermische Absorber (8, 18) von einen
gasförmigen Medium durchströmt wird.
6. Solar-Kollektor (3, 5) mit einem Photovoltaikelement (19) zur Gewinnung von
elektrischer Energie und einem thermischen Absorber (8, 18) zur Gewinnung
thermischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass der Raum zwischen Glasscheibe (15) und
photovoltaischem Element (19) mittels Gebläse (17) mit Kühlluft
zwangsdurchströmt werden kann.
7. Solar-Kollektor (3, 5) mit einem Photovoltaikelement (19) zur Gewinnung von
elektrischer Energie und einem thermischen Absorber (8, 18) zur Gewinnung
thermischer Energie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der
Motor (25) eines Gebläse (17) zur Zwangsdurchströmung an die Elektroden
(6) des Photovoltaikelements (19) angeschlossen sind.
8. Solar-Kollektor (3, 5) mit einem Photovoltaikelement (19) zur Gewinnung von
elektrischer Energie und einem thermischen Absorber (8, 18) zur Gewinnung
thermischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, dass Wärme aus dem Absorber (8) zum Zwecke der Kühlung des
Solar-Kollektors (3) vorzugsweise über ein Gebläse (17) und einen Wärme
austauscher (29) im Leitungssystem (24) an die Umgebung abgegeben
werden kann.
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