DE10207852A1

DE10207852A1 - Solar-Kollektor

Info

Publication number: DE10207852A1
Application number: DE10207852A
Authority: DE
Inventors: Henning Rittstieg
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2002-02-16
Publication date: 2002-09-19
Also published as: ATA2872001A; AT412170B

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

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.