DE202007005302U1 - Collector e.g. hybrid collector, for generating electrical and thermal energy from solar energy, has photovoltaic module and solar thermal module arranged in common housing, where insulation space is arranged between two modules - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Kollektor semitransparenter Bauweise zur Erzeugung elektrischer und thermischer Energie aus ausschließlich solarer Strahlungsenergie.The The invention relates to a collector semitransparent design for Generation of electrical and thermal energy from exclusively solar radiation energy.
Unter solarthermischen Anlagen versteht man technische Systeme zur Erwärmung von Heiz- und Brauchwasser mithilfe von solarer Strahlungsenergie. Diese bestehen in der Regel aus Kollektoren, einem verbindenden Rohrleitungssystem, einem Wärmeträgermedium und einem Speicher mit Wärmetauschern für Warmwasser. Hinzu kommen Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen.Under Solar thermal systems are technical systems for the heating of Heating and service water with the help of solar radiation energy. These usually consist of collectors, a connecting piping system, a heat transfer medium and a storage tank with heat exchangers for hot water. There are also measuring, control and regulating devices.
Das Herzstück einer solchen Anlage bilden die Kollektoren. Hier sind grundsätzlich zwei Typen verfügbar.The heart such a plant form the collectors. Here are basically two Types available.
Zum einen der Vakuumröhrenkollektor, welcher aus evakuierten Glasröhren besteht.To the one of the vacuum tube collectors, which consists of evacuated glass tubes consists.
Im Inneren der Röhre befindet sich eine zweite Röhre bzw. Röhrensystem, die die eigentliche Absorberfläche darstellt und vom Wärmeträgermedium durchflossen wird.in the Inside the tube there is a second tube or tube system, the actual absorber surface represents and from the heat transfer medium is flowed through.
Die innere Röhre ist speziell beschichtet und liegt im Brennpunkt von seitlich angebrachten Spiegeln. Dieser Kollektortyp kann sehr hohe Temperaturen liefern und weist einen hohen Wirkungsgrad auf. Er ist aber sehr teuer und konstruktionsbedingt nicht für eine Kombination mit Photovoltaik geeignet.The inner tube is specially coated and is the focus of laterally mounted Reflect. This type of collector can deliver very high temperatures and has a high efficiency. He is very expensive and not for design reasons a combination with photovoltaic suitable.
Der zweite Kollektortyp ist der so genannte Flachkollektor. Dieser Typ besteht aus einer speziell beschichteten Aluminium- bzw. Kupferfolie, an deren Rückseite ein Rohrsystem, vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer, mäander- oder harfenförmig aufgebracht ist.Of the second collector type is the so-called flat collector. This guy consists of a specially coated aluminum or copper foil, at the back a pipe system, preferably of aluminum or copper, meandering or harp shaped is applied.
Zum Schutz vor Umwelteinflüssen ist dieser Kollektor mit einer Glasplatte oder ähnlichen transparenten Materialien nach oben hin abgedeckt.To the Protection against environmental influences is this collector with a glass plate or similar transparent materials covered at the top.
Diese Abdeckung lässt die von der Sonne emittierte Strahlung nahezu verlustfrei hindurch. Das unter der Absorberfläche aufgebrachte Rohrleitungssystem wird von einem Wärmeträgermedium durchflossen und transportiert somit die Wärme in Richtung Speichersystem. Als Wärmeträgermedium wird meist ein Wasser-Glykol-Gemisch genutzt um Frostschäden vorzubeugen.These Cover leaves the radiation emitted by the sun almost lossless through. The under the absorber surface applied piping system is traversed by a heat transfer medium and thus transports the heat towards the storage system. The heat transfer medium is usually a water-glycol mixture used for frost damage submissions.
Photovoltaik bezeichnet die direkte Umwandlung von solarer Strahlung in elektrische Energie aufgrund der Freisetzung von Ladungsträgern in Festkörpern.photovoltaics refers to the direct conversion of solar radiation into electrical Energy due to the release of charge carriers in solids.
Hierzu werden gemäß dem Stand der Technik Halbleiter eingesetzt, d.h. Stoffe, die nahe dem absoluten Nullpunkt der Temperatur isolieren, aber bei höheren Temperaturen, gezielter Störung des Kristallgitters oder durch äußeren Energieeintrag Leitfähigkeit erlangen.For this be according to the state The technique used semiconductors, i. Fabrics close to the absolute Isolate the zero point of the temperature, but at higher temperatures, more targeted disorder of the crystal lattice or by external energy input conductivity gain.
Um architektonischen Belangen wie Optik, Wärmedämmung, Abschattung, Ästhetik und Blendschutz in Verbindung mit der Photovoltaik gerecht zu werden, sind seit einiger Zeit so genannte semitransparente Solarmodule für die Gebäudeintegration (GIPV) verfügbar.Around Architectural concerns such as optics, thermal insulation, shading, aesthetics and glare control in conjunction with photovoltaics, have been so-called semi-transparent solar modules for some time for the Building Integration (GIPV) available.
Hierbei handelt es sich vorzugsweise um Dünnschichtzellen, im Speziellen amorphe, polychristalline oder auch CIS-Zellen.in this connection they are preferably thin-film cells, in particular amorphous, polycrystalline or even CIS cells.
Dadurch ist es möglich, PV-Module mit 1% bis 99% Lichttransmittanz herzustellen. Im Konkreten bedeutet das, dass der Photovoltaikanteil frei skaliert werden kann.Thereby Is it possible, Produce PV modules with 1% to 99% light transmittance. In concrete means that the photovoltaic part can be freely scaled.
So sind Fassaden möglich, die an bestimmten Stellen 90% des Lichtes absorbieren und an anderen Stellen nur 10%, wobei alle Module aber die gleiche Ausgangsspannung haben, um sie konventionell verschalten zu können.So facades are possible which absorb 90% of the light in certain places and others Make only 10%, with all modules but the same output voltage have to conventionally interconnect them.
Diese semitransparenten Zellen weisen eine Vielzahl von Problemen auf. So ist die Stabilität der Zellen während der Herstellung sowie beim Einbringen der Durchbrüche in die Wafer ein besonderer Risikofaktor, der eine Serienfertigung schwierig gestaltet.These Semitransparent cells have a variety of problems. That's the stability of the cells during the manufacture and the introduction of the breakthroughs in the Wafer is a particular risk factor that makes mass production difficult designed.
Die Probleme bei semitransparenten Zellen mit zwischen Glasplatten eingesetzten Wafern sind eher optischer Natur.The Problems with semitransparent cells with inserted between glass plates Wafers are more of a visual nature.
Diese Technologie lässt nur an kleinen Bereichen Licht hindurch, wobei aufgrund der verwendeten Wafer die restlichen Bereiche große Schatten werfen. Ein weiteres Problem ist der Einsatz teurer Siliziumwafer sowie das hohe Gewicht aufgrund von zwei verwendeten Glasplatten.These Technology leaves only light in small areas, due to the used Wafer the remaining areas throw big shadows. Another one The problem is the use of expensive silicon wafers and the high weight due to two glass plates used.
Gemäß des Standes der Technik werden Lösungen vorgeschlagen, welche die bekannten photovoltaischen Baugruppen mit denen der Solarthermie so verbinden, dass ein Wärmeübergang von den erwärmten Wafern mittels direkter Kontaktierung durch Wärmeleitung zu dem solarthermischen Modul vorgenommen wird.According to the state technology becomes solutions proposed which the known photovoltaic assemblies with those of solar thermal connect so that a heat transfer from the heated ones Wafern by direct contact by heat conduction to the solar thermal Module is made.
Hierdurch entstehen Nachteile hinsichtlich der Dichtheit des solarthermischen Moduls in Verbindung mit dem elektrisch leitenden photovoltaischen Modul und der Rückkopplung der Wärmeleitfähigkeit vom photovoltaischen Modul zum Absorber und umgekehrt bei wechselnden Wetterbedingungen.This results in disadvantages in terms of tightness of the solar thermal module in conjunction with the electrically conductive photovoltaic module and the feedback of the thermal conductivity of the photovoltaic module to the absorber and order swept in changing weather conditions.
Des Weiteren ist von Nachteil, dass alle in dem kombinierten Kollektor verwendeten Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen und somit mechanische Probleme im System auftreten können.Of Another disadvantage is that all in the combined collector used materials have different thermal expansion coefficients and thus mechanical problems can occur in the system.
Des Weiteren ist die direkte Verbindung zwischen solarthermischen Kollektor und den semitransparenten PV-Modul mit hohen thermischen Verlusten verbunden, da Wärmeenergie durch direkten Kontakt vom solarthermischen Absorber zu den PV-Zellen und somit zur Umwelt abgegeben wird.Of Another is the direct connection between the solar thermal collector and the semitransparent PV module associated with high thermal losses, because heat energy by direct contact of the solar thermal absorber to the PV cells and thus released to the environment.
Aufgabe der Erfindung ist es, bekannte Probleme der Dichtheit sowie Abschottung des Solarthermiekollektors zur photovoltaischen Elementen zu lösen um Kurzschlüsse zu vermeiden, thermische Verluste zu minimieren, sowie die bekannten Nachteile des Standes der Technik zu beheben.task The invention is known problems of tightness and foreclosure Solarthermiekollektors the photovoltaic elements to solve to avoid short circuits, To minimize thermal losses, and the known disadvantages of the prior art.
Des Weiteren sind die entstehenden Wirkungsgradeinbußen bei der Kombination von Photovoltaik und Solarthermie zu minimieren sowie die mechanischen Probleme zu beseitigen.Of Furthermore, the resulting loss of efficiency in the combination of Photovoltaic and solar thermal minimize as well as the mechanical To eliminate problems.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution the task of the invention arises from the characterizing features of claim 1 in Connection with the characteristics of the generic term. Further advantageous Embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Der
erfindungsgemäße Kollektor
soll nachfolgend anhand der
Der
erfindungsgemäße Kollektor
besteht aus einem Gehäuse
Alternativ kann der solarthermische Kollektor im Doppelkammerprofil mit Vakuum ausgeführt sein, beziehungsweise das Innere des Gehäuses als solches evakuiert sein.alternative can the solar thermal collector in the double chamber profile with vacuum accomplished be, or evacuated the interior of the housing as such be.
Mittels
einer gemäß dem Stand
der Technik ausgeführten
Abdichtung
Den
oberen Teil des erfindungsgemäßen Kollektors
bildet ein semitransparentes photovoltaisches Modul
An
der Unter- und somit Innenseite des transparenten Trägers
Diese
photovoltaischen Elemente
Unterhalb
dieser Fixierschicht
Die
Höhe des
Isolationsraumes
Steigt der Anteil von Photovoltaik, so sinkt der Transparenzgrad. Hier ist es vorteilhaft, den Abstand zu verringern, da die PV-Schicht als thermisches Schild fungiert und zusätzlich die erwärmten Photovoltaikzellen Wärme mittels Wärmestrahlung bei geringerem Abstand leichter an die Absorberschicht transferieren.Increases the proportion of photovoltaics, the degree of transparency decreases. Here It is advantageous to reduce the distance, as the PV layer acts as a thermal shield and additionally the heated photovoltaic cells Heat by means of Heat radiation at transfer distance to the absorber layer more easily.
Dem
Isolationsraum
Ebenso
kann die Reflektionsschicht
Die
photovoltaische Elemente
Thermalisierung ist ein Verlustmechanismus, der eine extreme Erwärmung der Zellen bedeutet. Die Erwärmung durch den infraroten Anteil des Sonnenlichtes erzeugt so genannte Gitterschwingungen. Diese wiederum sorgen dafür, dass nicht am Ladungstrennungsprozess beteiligte Photonen mit einer höheren Wahrscheinlichkeit mit der Gitterstruktur kollidieren. Diese Photonen mit einer Energie, die größer als die Energielücke ist, regen Ladungsträger zu Zuständen an, die oberhalb der Bandkante liegen. Die Differenz zwischen Energie des angeregten Zustandes und der Energie der Bandkante wird als thermische Energie an das Kristallgitter abgegeben.Thermalization is a loss mechanism that means extreme heating of the cells. The heating caused by the infrared portion of the sunlight produces so-called lattice vibrations. These in turn ensure that photons not involved in the charge separation process are more likely to collide with the lattice structure. These photons, with energy larger than the energy gap, excite charge carriers to states that are above the band edge. The difference between energy of the excited state and the energy of the band edge is given as thermal energy to the crystal lattice.
Die
photovoltaische Baugruppe weist somit im Betrieb zum Vergleich mit
dem Absorber
Der
Isolationsraum
Wird
der Isolationsraum
Wird
der Isolationsraum
Somit
ist es möglich,
mittels der Auswahl der Höhe
des Isolationsraumes
Je nach der entsprechenden Anforderung kann eine Einstellung nach dem jeweiligen Bedarf an elektrischer Energie beziehungsweise Wärmenergie erfolgen.ever after the appropriate request, a setting after the respective demand for electrical energy or heat energy take place.
Dies
erfolgt durch die Wahl des Abstandes zwischen solarthermischen Absorber
Auch
unter den Schutzumfang gehörend
ist zu betrachten die Möglichkeit
des Entfalls der transparenten Fixierschicht
Nachfolgend
soll die erfindungsgemäße Lösung anhand
von Ausführungsbeispielen
und den
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in
Dies wird durch das gleichmäßig verteilte Anordnen von Siliziumwafern beziehungsweise durch großflächiges Abscheiden von Dünnschichtsolarzellen, welche im Anschluss durch geeignete Verfahren in viele einzelne photovoltaische Bereiche aufgeteilt werden, erreicht.This is distributed by the evenly distributed Arranging silicon wafers or by large-scale deposition of thin-film solar cells, which subsequently by appropriate procedures in many individual photovoltaic areas are achieved.
Der
Transparenzgrad ist bei der Dünnschichttechnologie
vorteilhafterweise frei skalierbar, wohingegen bei Verwendung von
Siliziumwafern der Transparenzgrad durch die Größe der verwendeten Wafer bestimmt
wird. So kann, wie in
Die Festlegung des Transmissionsgrades kann auch durch einen lokalen photovoltaischen Sektor und einen transparenten Sektor realisiert werden. Eine vorteilhafte Auslegung der erfindungsgemäßen Lösung kann beispielsweise darin bestehen, den photovoltaischen Teil in einem Teil des Kollektors konzentriert anzuordnen.The Determining the transmittance can also be done by a local photovoltaic sector and a transparent sector become. An advantageous design of the solution according to the invention can For example, consist in the photovoltaic part in one Concentrate part of the collector.
Dabei
wäre es
wiederum von Vorteil, den photovoltaischen Teil unten anzuordnen,
wie in
Ein positiver Effekt wäre hierbei eine geringere thermische Belastung der photovoltaischen Zellen bei Stillstand oder geringer Wärmeabnahme, da ein Solarthermiekollektor bauartbedingt die geringste Wärmeentwicklung an dieser Stelle hat.One positive effect would be this is a lower thermal load of the photovoltaic Cells at standstill or low heat loss, as a solar thermal collector Due to the design, the lowest heat development has at this point.
Im Gegensatz dazu kann man auch eine entgegen gesetzte Durchströmung wählen, wodurch eine andere Verteilung der photovoltaischen Elemente ermöglicht wird.in the In contrast, you can also choose an opposite flow, creating a other distribution of photovoltaic elements is made possible.
Dadurch wird es ermöglicht, bereits installierte solarthermischen Kollektoren so nachzurüsten, dass ein Kollektor gemäß der erfindungsgemäßen Lösung geschaffen wird.Thereby is it possible to retrofit already installed solar thermal collectors so that created a collector according to the inventive solution becomes.
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-
2007
- 2007-04-11 DE DE202007005302U patent/DE202007005302U1/en not_active Expired - Lifetime
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |
Effective date: 20070906 |
|
R156 | Lapse of ip right after 3 years |
Effective date: 20101103 |