DE202007002026U1

DE202007002026U1 - Energieautarke elektrische Beheizung für die transparenten Abdeckungen von Sonnenkollektor- oder Photovoltaikanlagen

Info

Publication number: DE202007002026U1
Application number: DE202007002026U
Authority: DE
Original assignee: Beikircher Thomas Dr; BUTTINGER FRANK
Current assignee: Beikircher Thomas Dr; BUTTINGER FRANK
Priority date: 2007-02-12
Filing date: 2007-02-12
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2017-02-13

Abstract

Vorrichtung zur elektrischen Erwärmung der für das Sonnenlicht transparenten Abdeckung (1) von Sonnenkollektoren (4) oder Photovoltaik-Paneelen, welche als ohmsche Heizungen elektrische Leiterbahnen (2) und eine Spannungsquelle (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Leiterbahnen nicht auf der dem Sonnenlicht zugewandten äußeren Seite sondern auf der Innenseite der Abdeckung befinden und in thermischem Kontakt mit der Abdeckung stehen.

Description

Problematik, Gegenstand der Erfindung
Bei Schneefall oder Niederschlag bildet sich im Winter bei Temperaturen unter oder um 0°C auf den für Licht transparenten Abdeckungen (1) von thermischen Sonnenkollektoren oder Photovoltaik-Paneelen eine nicht oder nur mäßig transparente Schnee- und/oder Eisbedeckung, die oft über mehrere Tage und Wochen trotz wieder vorhandener Sonnenstrahlung und klaren Himmels besteht, sodass kein Licht auf die absorbierende Schicht der Solaranlage gelangen kann. Dadurch kann die Anlage, solange die Schnee-/Eisbedeckung der Scheiben besteht, über einen längeren Zeitraum trotz vorhandener Einstrahlung keine thermische oder elektrische Leistung bringen und daher nicht genutzt werden.
Gerade im Winter wird aber solare Wärme oder solar erzeugtes elektrisches Licht besonders benötigt, um fossile Brennstoffe ersetzen zu können. Bei modernen, auf den winterlichen Heizungsbetrieb ausgelegten, größeren Anlagen mit höherem solaren Deckungsanteil (so genannten Kombianlagen) ist die Schnee-/Eisbedeckung von besonders großem Nachteil für den Jahresertrag und die damit verbundene Amortisationszeit der Solaranlage. Gegenstand der Erfindung ist die Befreiung der transparenten Abdeckungen photovoltaischer oder thermischer Solaranlagen von Schnee/Eis-Bedeckung auf ihrer dem Sonnenlicht zugewandten Seite.
Stand der Technik, bisherige Arbeiten
Zur Beseitigung bzw. Verhinderung von Schmutz und auch Niederschlägen auf der Abdeckscheibe wurden verschiedene Vorrichtungen vorgeschlagen, die jedoch allesamt viel zu aufwendig und betriebsunsicher und auch nur bedingt zur Enteisung (An- bzw. Abschmelzen von Eis und Schnee) geeignet erscheinen.
So wurde in DE10028093A1 ein Konzept mit einem äußeren Fluidzufuhrsystem entwickelt, bei dem z.B. Wasser oder ein Frostschutzmittel auf die Scheibe über ein Verteilsystem von oben außen eingebracht werden kann. Die Anordnung ist jedoch für die effiziente Beseitigung von Schnee und Eis ungeeignet, da aufgrund der Gefahr des Frierens und Versickerns bzw. Aufsaugens der verwendeten Flüssigkeit in bzw. durch die auf der Scheibe befindliche Schnee/Eisbedeckung. Zudem ist eine kosten- und wartungsintensive (z.B. Verschmutzung, Verstopfung) Pumpe mit elektrischer Versorgung und Regelung und Verteilvorrichtung vorzusehen
Aus der DE202005002198U1 ist weiterhin eine sehr aufwendige äußere Abschatteinrichtung bekannt, die auch bei Schneefall über die Abdeckscheibe als Schutz gezogen werden kann. Hier ist neben den hohen Kosten nicht klar, wie die Schneemassen von der Abschatteinrichtung ohne Beschädigung derselben entfernt werden können.
DE20010958U1 beschäftigt sich speziell mit der Enteisung und der Entfernung von Schnee auf Solaranlagen und gibt eine entsprechende Anordnung an: Analog zum Fahrzeugbau soll die bewährte, preiswerte und vorhandene Technik der beheizbaren Heckscheibe auf die Abdeckung von Sonnenkollektoren und PV-Paneelen übertragen werden. Durch diese elektrische Scheibenheizung wird die nötige Wärme auf die Scheibe übertragen um die aufliegende Schnee/Eisschicht abzutauen.
Die in DE20010958U1 vorgeschlagene Vorrichtung besteht aus elektrischen Heizdrähten, einer kontinuierlichen Spannungsquelle, wie z.B. einer Batterie oder dem Stromnetz, einem Niederschlagssensor und einem Helligkeitssensor in Hintereinanderschaltung. Befindet sich Feuchtigkeit oder Schnee/Eis auf dem in der Nähe der Abdeckscheibe montierten Niederschlags-Sensor und wird gleichzeitig genügend Bestrahlungsstärke der Sonne auf dem Helligkeitssensor detektiert, soll der ansonsten offene Stromkreis geschlossen und die auf der Abdeckscheibe außen montierten (geklebten oder eingelassenen) Heizdrähte über die externe Spannungsquelle versorgt werden, solange bis einer der Sensoren die durch den Stromfluss in den Heizdrähten realisierte Beheizung der Abdeckung unterbricht.
Diese Anordnung löst zwar prinzipiell das Problem in einer auch in dieser Gebrauchsmusteranmeldung bevorzugten elektrischen (unter Verwendung von mit der Scheibe thermisch verbundenen Heizdrähten) Art und Weise und ist in der Lage, Schnee/Eis von der Abdeckscheibe zu beseitigen. Sie ist jedoch in ihrer Realisierung zu aufwendig (zwei teure Sensoren notwendig) und zu betriebsunsicher und verbraucht zu viel elektrische Energie: So kann es zum einen passieren, dass der Schnee auf dem Niederschlags-Sensor zwar abgeschmolzen ist, nicht aber auf der Solaranlage, auf der sich wegen der größeren Fläche eine viel dickere Schicht gebildet hat. Zum anderen werden die Rillen des Niederschlagsensors auch bei Regen oder durch Schmutz kurz geschlossen, was z.B. bei einem Schauer im Sommer einen kurzzeitigen unsinnigen Stromverbrauch aus der Batterie erzeugt. Bei Schmutz kann sogar ein dauernder Kontakt entstehen und der Sensor schaltet immer auf Kurzschluss, womit ein rascher Verbrauch der Spannungsquelle (z.B. Batterie) oder zumindest ein hoher Energieverlust einhergeht, obwohl gar kein Schnee/Eis auf der Abdeckscheibe vorhanden ist. Zum dritten ist die in DE20010958U1 vorgeschlagene Anordnung der Heizdrähte auf der äußeren, dem Sonnenlicht zugewandten Seite aus mehreren Gründen, unabhängig von der in DE20010958U1 vorgeschlagenen Montage-Variante ungünstig:

1. Die an der äußeren Oberfläche liegenden Heizdrähte, werden, auch wenn sie in eine transparente Folie eingebracht sind, durch atmosphärischen Schmutz und/oder Wetterbedingungen (z.B. UV-Bestrahlung, Regen, Hagel, etc.) auf Dauer zerstört oder abgelöst. Zumindest tritt eine unerwünschte Trübung der Transparenz der Folie auf.
2. Die Einbringung der Heizdrähte direkt in die Glasscheibe ist fertigungs-technisch aufwändig. Desweiteren erniedrigen die an der Außenseite in das Glas eingelassenen Drähte dessen Festigkeit und gefährden die gesamt Anlage beispielsweise bei Hagelschlag. Die in Normen vorgeschriebenen Hagelschlag-Tests werden dadurch möglicherweise nicht bestanden.

Auch wird der Strom zur Versorgung der Heizdrähte aus einer externen Quelle und nicht aus der Sonne selbst gewonnen. Damit ist die Anlage nicht energieautark und abhängig von einer Spannungszufuhr z.B. aus einer Batterie oder dem Stromnetz.
Auch ist die in DE20010958U1 vorgeschlagene Anordnung unwirtschaftlich und ohne Wartung nicht betriebssicher: Es werden 2 teure Sensoren und eine teure externe Spannungsquelle benötigt, was über die gesamte Lebensdauer der Solaranlage (15–20 Jahre) Wartungen (z.B. Beseitigung von Schmutz auf den Sensoren) oder Ersatz von Komponenten (z.B. der Batterie) erfordert.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufbauend auf dem in DE20010958U1 vorgestellten Konzept einer elektrischen Beheizung der Abdeckung von Solaranlagen eine einfachere, energieautarke, kostengünstigere und gleichzeitig betriebssicherere Lösung anzugeben, um die Schnee- und Eisbedeckung auf den Abdeckscheiben rasch zu beseitigen und die Solaranlage mit möglichst geringem energetischen und wirtschaftlichen Aufwand rasch wieder nutzbar zu machen.
Aufgabenlösung, Beschreibung der Erfindung
Die Lösung der Aufgabe erfolgt ebenso auf elektrische Weise wie in DE20010958U1 durch den Einsatz von Heizdrähten und einer Spannungsquelle, jedoch auf folgende grundsätzlich andere und vorteilhaftere Weise:
Die elektrische Beheizung der Abdeckscheibe (oder Abdeckung) der Solaranlage erfolgt über ein Drahtgitter aus feinen Heizdrähten mit geeignetem hohen Widerstand, das zum besseren Schutz gegen Beschädigungen durch Schmutz und Witterungseinflüsse auf der Scheibeninnenseite montiert ist (Anspruch 1). Dies kann mittels Kleben, Aufdampfen, Einbrennen, Einlegen, Einschrauben oder Pressen, auch unter Verwendung von wärmeleitenden Hilfsstoffen wie z.B. Wärmeleitpaste geschehen (Anspruch 2). Eine weitere Möglichkeit mit dem Vorteil leichterer Montierbarkeit und größerer mechanischer Stabilität ist das Einbringen der Drähte in eine Folie, die dann auf die Scheibe aufgebracht wird (Anspruch 3) Möglich ist auch ein vollständiges Einbringen des Drahtgitters in die Scheibe beim Herstellvorgang oder, bei doppelt abgedeckten Solarkollektoren, zwischen den beiden Abdeckungen (Anspruch 4), was mechanische Vorteile hat, da die Heizdrähte dadurch vom, im normalen Betrieb heißen Absorber besser thermisch getrennt sind.
Das Drahtgitter entfernt Schnee/Eis-Bedeckungen der Abdeckung durch Abschmelzen, bzw. Aufschmelzen mit anschließendem Abrutschen auf der üblicherweise geneigten Abdeckscheibe. Es soll die Transmission der Abdeckung möglichst wenig vermindern, daher sind als ohmsche Heizwiderstände dünne oder transparente Leitungsbahnen (z.B. Drähte) mit geeignetem Widerstand zu verwenden (Anspruch 5). Die Verlegungsart der Drähte kann parallel mit etwa konstantem Abstand über die Glasfläche erfolgen (Anspruch 6). Dies hat den Vorteil möglichst gleichmäßiger Beheizung es besteht aber auch die Möglichkeit die Drähte inhomogen, z.B. in höherer Dichte am Rand der Scheibe, insbesondere am oberen Rand aufzubringen und in der Mitte eine geringere oder gar keine Dichte der Drähte zu realisieren (Anspruch 7), um größtmögliche solare Transmission zu erreichen. Ein weiterer Vorteil der Anordnung der Drähte im Randbereich ist, dass dort, wegen der thermischen Randverluste mehr elektrische Heizleistung zum Schmelzen benötigt wird und dass das aufgeschmolzene Eis im oberen bereich der Abdeckung in Form von Wasser durch die Schwerkraft an der Abdeckung nach unten rinnt und dadurch beim Schmelzen der weiter unten gelegenen Teile der Abdeckung behilflich ist. Dieser Vorteil kann auch durch Verwendung von Drähten mit höherem Widerstand im (oberen) Randbereich erfolgen (Anspruch 8).
Die elektrische Scheibenheizung wird energetisch vorteilhaft, da energieautark, durch mindestens ein einfaches, kommerzielles photovoltaisches (PV)-Element gespeist, welches sich in senkrechter oder zumindest steiler (45°–90°) Ausrichtung zur Horizontalen an oder in der Nähe der Solaranlage befindet (Ansprüche 9–10). Diese Ausrichtung ist zum einen im Winter wegen der tief stehenden Sonne günstig oder zumindest ausreichend um genügend Strahlung aufzunehmen und Strom für die Heizung zu erzeugen. Zum anderen kann sich durch die senkrechte Ausrichtung keine Schnee/Eis-Schicht auf dem PV-Element bilden, da Niederschläge sofort abrutschen. Zudem ist das PV-Element außer Spannungsquelle auch gleichzeitig der Helligkeitssensor, auf den daher verzichtet werden kann (Anspruch 11). Es kann sogar auch auf den Niederschlagssensor verzichtet werden (Anspruch 11), denn bei solarthermischen Anlagen ist eine Regelung nicht notwendig, da das PV-Element im Gegensatz zur herkömmlichen Spannungsquelle (wie in DE20010958U1 vorgeschlagen) über die Lebensdauer der Anlage ständig mit Vorteil betrieben werden kann: Im normalen Betrieb, wenn die Sonne scheint und kein Schnee auf der Solaranlage liegt, kann der photovoltaisch erzeugte Strom ins Netz eingespeist oder zum Betrieb anderer benötigter elektrischer Geräte verwendet werden (Anspruch 12). Alternativ kann der erzeugte Strom auch in einer Batterie gespeichert werden, damit beim nächsten Abtauvorgang mehr Leistung für die Enteisung zur Verfügung steht (Anspruch 13). Zudem ist eine Dauerbeheizung der Abdeckung vorteilhaft, da sie zu geringeren thermischen Verlusten der solarthermischen Anlage führt, wegen der niedrigeren Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Abdeckung,
Im Falle einer photovoltaischen Solaranlage, die von Schnee befreit werden soll, ist es nicht günstig, die Scheibenheizung ständig laufen zu lassen, da eine Erwärmung der Paneele zu einem schlechteren Wirkungsgrad führt. Hier schlagen wir zur Regelung einen einfachen elektrischen Spannungs- oder Stromsensor am Austritt der Paneele der Solaranlage vor. Sobald die PV-Anlage frei von Schnee oder Eis ist, steigt die Nutzspannung und/oder der Nutzstrom, was als Regelkriterium für das Umschalten des PV-Elements über einen elektronischen Unterbrecher verwendet wird (Anspruch 14, 15). Sollte bei der solarthermischen Anlage doch ein Regler gewünscht sein, regelt der Temperaturfühler im Kollektorkreis das Abschalten der Stromversorgung, sobald sich die Wärmträgerflüssigkeit aufgrund der nun vorliegenden Einstrahlung erwärmt (Anspruch 14, 16). Die Kabelführung, zur elektrischen Versorgung des Heizgitters, zur Scheibe hin, kann am einfachsten durch die Seitenwände des Kollektors erfolgen, aber auch direkt durch die Dichtung des Kollektors zwischen Abdeckung und Gehäuse gelegt werden (Anspruch 17). Wichtig ist auch, dass jeder ohmsche Heizdraht mit derselben Spannung versorgt wird, daher ist eine Parallelschaltung der Drähte innerhalb eines Elements (Paneels oder Kollektors), aber auch der Elemente untereinander vorzusehen (Anspruch 18).
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der 1 bis 4 erläutert. Es zeigen:
1 transparente Abdeckung mit Heizdraht bei konstantem Abstand
2 transparente Abdeckung mit Heizdraht bei variablem Abstand
3 Seitenansicht des Systems mit Heizdraht
4 integrierte Gesamtanlage auf Hausdach

Claims

Vorrichtung zur elektrischen Erwärmung der für das Sonnenlicht transparenten Abdeckung (1) von Sonnenkollektoren (4) oder Photovoltaik-Paneelen, welche als ohmsche Heizungen elektrische Leiterbahnen (2) und eine Spannungsquelle (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Leiterbahnen nicht auf der dem Sonnenlicht zugewandten äußeren Seite sondern auf der Innenseite der Abdeckung befinden und in thermischem Kontakt mit der Abdeckung stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der thermische Kontakt zur Abdeckung durch Klebung, Aufdampfung, Einbrennung, Verschraubung oder Einpressung der elektrischen Drähte auf die Oberfläche oder in sie eingebrachte Vertiefungen realisiert wird.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen in eine Folie integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Leiterbahnen vollständig innerhalb der Abdeckung, oder im Falle von doppelten Abdeckungen zwischen diesen, befinden.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen zur Beheizung dünn und/oder für das sichtbare Sonnenlicht transparent ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen gleichmäßig parallel auf der Scheibe angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen in der Mehrzahl sich näher am Rand, besonders am oberen Rand, als in der Mitte der Scheibe befinden und mit variablem Abstand untereinander verlaufen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände der Leiterbahnen in der Nähe des Rands, besonders am oberen Rand, höher sind als in der Mitte der Scheibe.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energieversorgung energieautark durch mindestens ein zusätzliches Photovoltaik-Paneel (5) erfolgt, welches sich an oder in der Nähe der Solaranlage befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Photovoltaik-Paneel in steiler (45°–90°) oder senkrechter Ausrichtung zur Horizontalen montiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie außer dem PV-Element nach Anspruch 9 keine weiteren Niederschlags- oder Helligkeitssensoren und auch keine Abschaltregelung der Heizung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschalten der elektrischen Erwärmung der Strom ins öffentliche Netz eingespeist wird oder zum Betreiben anderer elektrischer Geräte verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschalten der elektrischen Erwärmung der Strom in eine Batterie gespeichert wird, deren Leistung insbesondere für den nächsten Abtauvorgang verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz der Leistung der Solaranlage (elektrisch oder thermisch) detektiert und die elektrische Erwärmung bei Überschreitung eines Schwellenwertes abgeschaltet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion des Einsatzes der Leistung der Solaranlage durch einen Temperaturfühler (thermische Solaranlage) oder einen Spannungsfühler (photovoltaische Solaranlage) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturfühler ein Oberflächen-Pt100 oder ein Thermoelement ist, der außen am Kollektoraustritt am Fluidrohr aufgeklebt wird.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussdrähte (6) durch die Kollektorwand hindurch, oder aber durch die Dichtung zwischen Abdeckung und Gehäuse nach außen verlegt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung der Heizdrähte in paralleler Verschaltung erfolgt.