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Die
folgende Erfindung betrifft einen Hybridkollektor.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedne Arten von Hybridkollektoren
bereits bekannt.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
102 07 852 A1 beschreibt einen Solarkollektor mit einem
Photovoltaikelement zur Gewinnung von elektrischer Energie und einem
thermischen Absorber zur Gewinnung thermischer Energie, bei dem
das Photovoltaikelement auf einer dem Licht zugewandten Seite des
Solarkollektors angeordnet ist und dass der thermische Absorber
sich auf der dem Licht abgewandten Seite befindet.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
100 64 164 A1 beschreibt eine Dacheindeckung und/oder Dachaufbau
aus Elementen zur Nutzung der Solarenergie als Kombination von Kollektor-Wärmegewinnung
und Photovoltaik, aufgebaut in einem gemeinsamen Gehäuse.
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Die
WO 2008/125264 A1 einen
Kollektor zur Generierung elektrischer und thermischer Energie. Dabei
sind das photovoltaische Modul und das solarthermische Modul mit
einem dazwischen liegenden Isolationsraum angeordnet.
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Nachteil
des Standes der Technik ist, dass die bekannten Anordnungen von
Solarkollektoren und Photovoltaikelementen zu keiner optimalen Ausnutzung
der zu gewinnenden elektrischen und thermischen Energie führen.
Die Anordnungen weisen für den Solarkollektor sowie für
das Photovoltaikelement durch ihre zufällige Kombination
einen reduzierten Wirkungsgrad auf.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zwischen photovoltaischen
Modulen und Absorbermodulen zu finden, damit eine optimale Ausbeute
von thermisch generierter Energie beziehungsweise elektrisch generierter
Energie stattfindet und der Wirkungsgrad des gesamten Hybridkollektors
erhöht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
gemäß den unabhängigen Ansprüchen
gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen definiert.
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Gemäß eines
ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Hybridkollektor
(10) mit einem PV-Modul (20), umfassend transparente
Bereiche (21) und nicht nicht-transparente Bereiche (22)
bereitgestellt. Der Hybridkollektor stellt des Weiteren ein Absorbermodul
(30), umfassend eine Absorptionsplatte (35) die
kalte Bereiche (31) mit hoher Absorptionsleistung und warme
Bereiche (32) mit geringer Absorptionsleistung aufweist
bereit. Das PV-Modul (20) des Hybridkollektors ist in Bezug
auf einfallende Strahlung (50) oberhalb des Absorbermoduls (30)
angeordnet, wobei auf das PV-Modul (20) von oben senkrecht
einfallende Strahlung (50) Schattenbereiche (52)
entsprechend der nicht-transparenten Bereiche (22) des
PV-Moduls auf dem Absorbermodul (30) abbildet. Des Weiteren
werden Absorptionsbereiche (51) entsprechend der transparenten
Bereiche (21) des PV-Moduls auf dem Absorbermodul (30) abgebildet,
wobei die Absorptionsbereiche (51) zu mindestens 70% in
die kalten Bereiche (31) des Absorbermoduls (30)
projiziert werden.
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Der
erfindungsgemäße Hybridkollektor weist einen speziellen
Aufbau auf, um den Gesamtwirkungsgrad von Hybridkollektoren zu optimieren.
Der Gesamtwirkungsgrad des Hybridkollektors ist das Verhältnis
von abgegebener Energie zu zugeführter Energie. Die zugeführte
Energie ist die Wellenenergie der einfallenden Strahlung und die
abgegebene Energie ist die Kombination aus der gewonnenen elektrischen
und thermischen Energie. Durch die erfindungsgemäße
Anordnung von PV-Modul zu Absorbermodul wird ein gegenüber
dem Stand der Technik erhöhter Gesamtwirkungsgrad erreicht.
Der Gesamtwirkungsgrad liegt bei bevorzugt mindestens 40%, besonders
bevorzugt bei mindestens 45%, am meisten bevorzugt bei mindestens
50%, des Weiteren bevorzugt bei mindestens 55%.
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Der
erfindungsgemäße Hybridkollektor ist bevorzugt
eine Zelle in einem Verbund aus vielen Hybridkollektoren. Diese
Zellen (Hybridkollektoren) sind bevorzugt auf Hausdächern
oder Bürodächern oder Dächern im Allgemeinen
angeordnet. Besonders bevorzugt ist der erfindungsgemäße
Hybridkollektor Teil einer Industrieanlage oder eines Hybridkollektorparks
oder einer Fassade.
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Der
erfindungsgemäße Hybridkollektor ist eine Kombination
aus PV-Modul (Photovoltaikmodul) und einem Absorbermodul (solarthermischen
Modul). Anstatt des PV-Moduls können auch semitransparente
Zellen oder Dünnschichten zum Einsatz kommen.
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Bevorzugt
ist der Hybridkollektor aus verschiedenen Schichten zusammengesetzt.
Diese Schichten sind bevorzugt parallel in einem Rahmen, besonders
bevorzugt in einem Gehäuse, am meisten bevorzugt in einem
Gehäuse mit nur einer offenen Seitenfläche angeordnet.
Die bevorzugt übereinander liegenden beziehungsweise parallel
liegenden Schichten sind bevorzugt die Folgenden: Die erste Schicht
ist ein PV-Modul, die zweite Schicht ist eine Isolationsschicht,
die dritte Schicht ist ein Absorbermodul. Bevorzugt umfasst der
Hybridkollektor auch weitere Schichten, wie beispielsweise zusätzliche Isolationsmaterialien.
Dabei ist die erste Schicht (PV-Modul) der einfallenden Strahlung
(Sonne) am nahesten. In Einstrahlungsrichtung der einfallenden Strahlung
liegen die verschiedenen Schichten bevorzugt in folgender Reihenfolge übereinander:
PV-Modul, Isolationsschicht, Absorbermodul oder alternativ PV-Modul,
Absorbermodul.
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Bevorzugt
hat eine Hybridkollektorzelle (der Hybridkollektor) eine Fläche
von bis zu 50 m2, besonders bevorzugt bis
zu 10 m2, am meisten bevorzugt bis zu 2,5
m2. Bevorzugt hat der Hybridkollektor eine Bautiefe
von 0,5 mm bis 150 mm, besonders bevorzugt von 50 mm bis 120 mm,
am meisten bevorzugt von 80 mm bis 120 mm.
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Die
Form einer Hybridzelle ist bevorzugt quadratisch oder rechteckig.
Denkbar sind des Weiteren wabenförmige Anordnungen (sechseckig),
d. h. auch vieleckige Formen. Die beschriebenen Formen beziehen
sich auf die Draufsicht (in Blickrichtung ist die einfallende Strahlung).
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Bevorzugt
ist es möglich, dass die Schichten (PV-Modul, Isolationsschicht
und Absorbermodul) zueinander verschiebbar sind. Bevorzugt sind PV-Modul
und Absorbermodul zueinander in allen drei translatorischen Richtungen
x, y und z zueinander verschiebbar. Besonders bevorzugt ist das PV-Modul
gegenüber dem Absorbermodul auch um die Achsen x, y und
z herum rotatorisch schwenkbar. Das heißt, ein Winkel ist
zwischen dem PV-Modul und dem Absorbermodul bevorzugt einstellbar.
Insbesondere bevorzugt sind Neigungsgrad, beziehungsweise Position
(in translatorischer Richtung zueinander) in Abhängigkeit
des Sonnenstands einstellbar. Bevorzugt ist die Position des PV-Moduls zum
Absorbermodul abhängig vom Einfallwinkel der einfallenden
Strahlung. Verschiedenste Aktoren wie beispielsweise Drehmotoren
oder Zylinder oder Motorschlitten sind für das Bewegen
der Schichten denkbar.
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Das
PV-Modul ist in Bezug auf die Einfallsrichtung der einfallenden
Strahlung vor dem Absorbermodul angeordnet. D. h. die einfallende
Strahlung müsste zuerst das PV-Modul passieren um auf das Absorber-Modul
zu treffen. Das PV-Modul ist bevorzugt aus mehreren Schichten aufgebaut.
Beispielsweise ist der Schichten-Aufbau in Einfallsrichtung wie folgt:
Glas – Ethylenvinylacetat/Polyvinylacetat – Solarzellen – EVA/PVB – Tedlar
(Polyvinylflorid, kurz PVF) – Kunststoff/Aluminum – Tedlar.
Die Schichten können in beliebiger Aufschichtung miteinander
verbunden werden. Bevorzugt bildet das Glas die oberste Schicht,
das heißt die Schicht, die der einfallenden Strahlung (Sonne)
beziehungsweise der Witterung zugewandt ist. Im PV-Modul können
Dickschichtzellen oder Dünnschichtzellen eingesetzt werden.
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Das
PV-Modul umfasst bevorzugt transparente Bereiche und nicht-transparente
Bereiche. Die transparenten Bereiche bestehen bevorzugt aus Glas
und/oder EVA.
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Die
nicht-transparenten Bereiche bestehen bevorzugt aus Solarzellen
und/oder PVB und/oder Tedlar und/oder PET und/oder Aluminium. Die nicht-transparenten
Bereiche umfassen bevorzugt auch Schichten aus Glas und/oder EVA.
Bevorzugt ist die Glasscheibe die Basis des PV-Moduls auf dessen
Oberfläche eine oder mehrere Aufbauschichten (EVA, PVB,
Tedlar, PET, Plastisole, Kunststoffe, Aluminium) in Kombination
mit Solarzellen aufgebracht werden. Diese Aufbauschichten befinden
sich bevorzugt nur in den Bereichen auf der Glasscheibe, in welchen
auch Solarzellen aufgebracht sind. In diesem Zusammenhang bedeutet
das Aufbringen von Aufbauschichten auf die Glasscheibe oder auf
die Oberfläche der Glasscheibe, dass diese Aufbauschichten
bevorzugt auf der Seite der Glasscheibe aufgebracht sind, die der
einfallenden Strahlung, bzw. der Witterung abgewandt ist.
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Nur
in den Bereichen der Glasscheibe, wo sich Solarzellen befinden,
sind die restlichen Aufbauschichten bevorzugt zur Befestigung sowie
zum Schutz der Solarzelle(n) aufgebracht. Die auf der Glasscheibe
mit Solarzellen flächenmäßig belegten Stellen,
die wie vorher erwähnt sämtliche Aufbauschichten
umfassen können, nennt man nicht-transparente Bereiche.
Die nicht-transparenten Bereiche nehmen die einfallende Strahlung
auf und wandeln diese zum Großteil in elektrische Energie
um. Der Wirkungsgrad der nicht-transparenten bereiche (Verhältnis
von abgegebener Energie – elektrischer Energie zu zugeführter
Energie – Wellenenergie) liegt bevorzugt zwischen 5% und
3%, besonders bevorzugt zwischen 10 und 25%, am meisten bevorzugt
zwischen 12 und 18%.
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Die
Aufbauschichten überlappen die Solarzelle oder -zellen
in den Randbereichen um einige Millimeter. Bevorzugt liegt die Überlappung
zwischen 2 mm und 25 mm, besonders bevorzugt zwischen 7 mm und 20
mm, am meisten bevorzugt zwischen 10 mm und 17 mm.
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Die
nicht-transparenten Bereiche sind bevorzugt zwischen 125–225
mm breit, besonders bevorzugt zwischen 140–200 mm breit,
am meisten bevorzugt zwischen 170–190 mm breit.
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Diese Überlappungsbereiche
zählen bevorzugt zu den nicht-transparenten Bereichen,
obwohl sie nicht zur Generierung von elektrischer Energie beitragen.
Die nicht-transparenten Bereiche sind bevorzugt die Bereiche auf
der Glasscheibe, die bevorzugt unter 80% Lichtdurchlässigkeit
aufweisen, besonders bevorzugt unter 70% Lichtdurchlässigkeit aufweisen,
am meisten bevorzugt unter 60% Lichtdurchlässigkeit aufweisen.
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Die
Solarzellen, beziehungsweise die nicht-transparenten Bereiche sind
bevorzugt streifenförmig oder kreisförmig oder
spiralenförmig auf der Glasplatte des PV-Moduls angeordnet.
Bevorzugt beträgt der Abstand zwischen den nicht-transparenten
Bereichen bevorzugt zwischen 10 mm und 1000 mm, besonders bevorzugt
zwischen 100 mm und 500 mm, am meisten bevorzugt zwischen 200 mm
und 400 mm.
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Bevorzugt
ist die Fläche des PV-Moduls beziehungsweise die Fläche
der Glasscheibe mit 35 bis 60% Solarzellen, beziehungsweise nicht-transparenten
Bereichen belegt. Des Weiteren bevorzugt ist die Fläche
der Glasscheibe mit 40% bis 55%, besonders bevorzugt mit 45% bis
50% Solarzellen, beziehungsweise nicht-transparenten Bereichen belegt.
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Bevorzugt
weisen die nicht-transparenten Bereiche beziehungsweise die Solarzellen
eine Streifenanordnung auf, wobei die Streifen parallel zueinander
angeordnet sind. Bevorzugt sind pro PV-Modul 3 oder 4 Streifen von
Solarzellen, beziehungsweise nicht-transparenten Bereichen belegt.
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Ein
Streifen (nicht-transparenter Bereich) weist bevorzugt zwischen
10 und 14, besonders bevorzugt zwischen, 11 und 13, am meisten bevorzugt 12
Solarzellen auf.
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Bevorzugt
verlaufen ein oder zwei Streifen mittig über die Glasscheibe
und zwei Streifen parallel zu den mittigen Streifen am Glasscheibenrand.
Die Streifen von Solarzellen, beziehungsweise nicht-transparenten
Bereichen laufen bevorzugt parallel. Besonders bevorzugt ist auch
eine Variante des PV-Moduls denkbar, welches nur zwei Streifen aus nicht-transparenten
Bereichen bzw. Solarzellen umfasst. Die Verteilung der transparenten
Bereiche, beziehungsweise der Solarzellen über die Glasscheibe ist
je nach Wunsch der elektrischen Leistung variierbar. Des Weiteren
ist auch eine Kreuzanordnung der Solarzellen, beziehungsweise nicht-transparenten Bereiche
auf der Glasscheibe denkbar. Am meisten bevorzugt werden die Solarzellen
beziehungsweise nicht-transparenten Bereiche im Randbereich der Glasscheibe
gelegt, das heißt die Solarzellen beziehungsweise die nicht-transparenten
Bereiche verlaufen entlang des Rahmens, welcher die Scheibe einfasst.
Dadurch wird bevorzugt ein Kranz im Randbereich der Glasscheibe
gebildet. Bevorzugt ist eine Dünnschichtzelle vollflächig
auf der Glasscheibe ausgebildet, beziehungsweise angebracht.
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Das
Absorbermodul ist ein Sonnenkollektor, beziehungsweise ein Solarkollektor.
Das Absorbermodul besteht bevorzugt aus einer Absorptionsplatte und
aus einem an der Absorptionsplatte liegenden Wärmetransportsystem.
Das Wärmetransportsystem liegt bezogen auf die einfallende
Strahlung bevorzugt oberhalb der Absorptionsplatte, besonders bevorzugt unterhalb
der Absorptionsplatte, am meisten bevorzugt oberhalb und unterhalb
der Absorptionsplatte.
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Die
Absorptionsplatte besteht bevorzugt aus einem oder mehreren Absorberblechen
aus beispielsweise Aluminium oder Kupfer oder Edelstahl oder Kunststoff.
Die Absorptionsplatte umfasst des Weiteren bevorzugt eine selektive
Beschichtung um einen Absorptionsgrad zwischen 85 und 98% zu erreichen.
Bevorzugt ist die Absorptionsplatte mit bekannten Beschichtungen
wie beispielsweise EthaPlus oder Tinox oder Sunselect oder anderen
Beschichtungen versehen. Die Absorptionsplatte weist bevorzugt eine
geriffelte oder gewellte oder gebogene Oberfläche, besonderes
bevorzugt eine glatte, plane Oberfläche auf. Die Absorptionsplatte
ist bevorzugt über eine Schweißverbindung (Schweißnaht),
besonders bevorzugt über eine Fügeverbindung (Kleben,
Löten, Schweißen, Pressen, kraft- und form- und
materialschlüssige Verbindung) mit dem Wärmetransportsystem
verbunden. Des Weiteren bevorzugt ist die Absorptionsplatte Teil
des Wärmetransportsystems. Ist das Wärmetransportsystem über
eine Schweißverbindung mit der Absorptionsplatte verbunden,
so beträgt die Breite der Schweißverbindung bevorzugt
zwischen 0,5 mm und 10 mm, besonders bevorzugt zwischen 1 mm und
6 mm, am meisten bevorzugt zwischen 2 mm und 4 mm.
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Das
Wärmetransportsystem umfasst bevorzugt mindestens ein Rohr
oder ein Rohrsystem oder eine Harfe. Bevorzugt ist ein Rohr oder sind
mehrere Rohre über den gesamten Rohrverlauf mit der Absorptionsplatte über
eine Schweißnaht verbunden. Stellt man sich den Hybridkollektor
aus der Draufsicht vor (d. h. Blickrichtung gleich Verlauf der senkrecht einfallenden
Strahlung) so verlaufen bevorzugt nur unterhalb der kalten Bereiche
der Absorptionsplatte Rohre des Wärmetransportsystems.
Bevorzugt verläuft nur ein Rohr pro kaltem Bereich, besonders
bevorzugt verlaufen mehrere Rohre parallel unterhalb eines kalten
Bereichs, besonders bevorzugt zwei oder drei oder vier oder fünf
oder sechs oder sieben oder acht Rohre. Bevorzugt besteht ein kalter
Bereich aus einem Rohrbündel, besonders bevorzugt aus zwei
oder drei oder vier Rohrbündeln. Ein Rohrbündel
weist bevorzugt drei bis acht, besonders bevorzugt fünf
bis sechs parallel laufende Rohre auf. Die einzelnen Rohre eines
Rohrbündels haben bevorzugt zueinander denselben Abstand.
Der Abstand zwischen den einzelnen Rohrbündeln ist bevorzugt größer
als der Abstand der einzelnen Rohre innerhalb eines Rohrbündels.
Die Rohre sind bevorzugt harfenmeänder- oder kreisförmig
als Wärmetransportsystem angeordnet. D. h. ein kalter Bereich
kann aus mehreren nebeneinander geordneten kalten Bereichen bestehen.
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Das
Absorbermodul, beziehungsweise die Absorptionsplatte umfasst kalte
Bereiche und warme Bereiche. Die kalten Bereiche sind die Bereiche
mit hoher Absorptionsleistung im Gegensatz zu den warmen Bereichen,
welche eine geringe Absorptionsleistung aufweisen. Die kalten Bereiche
sind bevorzugt in einen mittleren Bereich und in zwei Randbereiche gegliedert.
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Der
mittlere Bereich des kalten Bereichs ist die Fläche auf
der Absorptionsplatte, die mit der Schweißnaht versehen
ist. Die Randbereiche des kalten Bereichs sind die Bereiche rechts
und links neben dem mittleren Bereich. Sie grenzen direkt an den mittleren
Bereich an. Bevorzugt haben die Randbereiche eine Fläche
(Breite mal Länge) von 2 mm mal 150 mm oder 2 mm mal 300
mm. Der mittlere Bereich hat bevorzugt eine Fläche von
1 mm mal 300 mm oder 3 mm × 150 mm.
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Die
kalten Bereiche sind Bereiche auf der Absorptionsplatte, die entlang
der Scheißnaht, beziehungsweise entlang des Wärmetrans portsystems, beziehungsweise
entlang der Wärmeträgerflüssigkeit, beziehungsweise
entlang der Rohre oder des Rohrsystems verlaufen. Bevorzugt wird
die Wärmeträgerflüssigkeit mit einer
Temperatur von circa –20°C in das Wärmetransportsystem 34 eingeleitet und
mit einer Temperatur von circa 150°C ausgeschleust. Bevorzugt
liegt das Temperatur Delta (Austrittstemperatur der Kühlflüssigkeit
minus Eintrittestemperatur der Kühlflüssigkeit)
bei bis zu 200°C, besonders bevorzugt bei bis zu 170°C,
am meisten bevorzugt bei bis zu 140°C.
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Das
Rohr des Wärmetransportsystems bildet im Querschnitt bevorzugt
einen Kreis oder einen Halbkreis, besonders bevorzugt ein Quadrat
oder ein Vieleck oder ein Trapez. Ist das Wärmetransportsystem
als ein Rohrsystem mit kreisförmigem Rohrquerschnitt ausgebildet,
so weist das Rohr, beziehungsweise weisen die Rohre einen Durchmesser
d von circa 2 mm bis 30 mm, bevorzugt ca. 5 mm bis 25 mm, besonders
bevorzugt ca. 8 mm bis 18 mm auf.
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Das
PV-Modul bildet aufgrund der von oben einfallenden Strahlung durch
seine nicht-transparenten, beziehungsweise transparenten Bereiche
auf dem Absorbermodul Schattenbereiche, beziehungsweise Absorptionsbereiche
ab.
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Die
Schattenbereiche und Absorptionsbereiche auf dem Absorbermodul,
bzw. der Absorptionsplatte sind von der einfallenden Strahlung projizierte Bereiche.
Die Länge und Breite, beziehungsweise Fläche und
Gestaltungsform der Schattenbereiche beziehungsweise der Absorptionsbereiche
sind direkt abhängig von den transparenten beziehungsweise
den nicht transparenten Bereichen des PV-Moduls.
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Bei
senkrecht von oben einfallender Strahlung stellen die Schattenbereiche
auf der Absorptionsplatte eine eins zu eins Abbildung der nicht-transparenten
Bereiche dar und die Absorptionsbereiche eine eins zu eins Abbildung
der transparenten Bereiche dar. Folglich variieren die Absorptionsbereiche und
Schattenbereiche je nach Einfallswinkel der einfallenden Strahlung
in Fläche und Form. Bevorzugt werden die Absorptionsbereiche
in die kalten Bereiche des Absorbermoduls beziehungsweise der Absorpti onsplatte
projiziert. Bevorzugt werden die Absorptionsbereiche zu mindestens
70%, bevorzugt zu mindestens 80%, besonders bevorzugt zu mindestens
90% in die kalten Bereiche projiziert. Für das Beispiel,
dass die Absorptionsbereiche zu 70% in dem kalten Bereichen der
Absorptionsplatte liegen, wird davon ausgegangen, dass 70% der durch
die einfallende Strahlung ausgeleuchteten Bereiche (Fläche)
in die kalten Bereiche fallen. Es bildet sich folglich eine Schnittmenge
in Form einer Fläche, die eine Flächengröße
von bspw. 70% des projizierten Absorptionsbereichs aufweist.
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Betrachtet
man den Hybridkollektor in der Draufsicht (Blickrichtung ist gleich
der senkrecht einfallenden Strahlung auf den Hybridkollektor), so
ist jedem kalten Bereich des Absorbermoduls ein transparenter Bereich
des PV-Moduls zugeordnet, bevorzugt liegt er diesem gegenüber.
Aus der Draufsicht liegen die transparenten Bereiche bevorzugt innerhalb
der Grenzen der kalten Bereiche. Das heißt bei senkrecht
einfallender Strahlung würde die Fläche der transparenten
Bereiche in die Fläche der kalten Bereiche projiziert werden.
Dies hätte den Vorteil, dass selbst bei Einfallswinkelveränderungen
der einfallenden Strahlung der projizierte Absorptionsbereich innerhalb
des kalten Bereichs liegen würde.
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Aus
der Draufsicht sind besonders bevorzugt die transparenten Bereiche
deckungsgleich zu den kalten Bereichen. Das heißt bei senkrecht
einfallender Strahlung würde die Fläche der transparenten Bereiche
deckungsgleich auf die Fläche der kalten Bereiche projiziert
werden.
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Bevorzugt
weist die Breite des transparenten Bereichs zwischen 0,5 × die
Breite des kalten Bereichs bis 3 × die Breite des kalten
Bereichs auf. Die Breite des kalten Bereichs wird bevorzugt senkrecht zum
Verlauf der etwaigen Schweißnaht auf der Absorptionsplatte,
beziehungsweise senkrecht zum Verlauf der Rohre gemessen. Bei anderen
bevorzugten Befestigungen, wie zum Beispiel beim Lasern oder Löten
entsteht keine Schweißnaht zwischen Absorptionsplatte und
Rohr.
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Bevorzugt
weist das PV-Modul eine Unterseite auf. Die Unterseite des PV-Moduls
wird definiert als die der einfallenden Strahlung abgewandten Seite.
Die Unterseite ist die zur Absorptionsplatte hinzeigende Seite des
PV-Moduls. Bevorzugt ist die Unterseite eine glatte Fläche,
welche die Aufbauschichten auf der Glasplatte mit einschließt.
Der Abstand zwischen der Unterseite des PV-Moduls und der Oberseite
der Absorptionsplatte wird als die Länge der Normalen bezeichnet,
welche auf der Oberseite der Absorptionsplatte beziehungsweise auf
der Unterseite des PV-Moduls senkrecht steht. Dabei ist bei parallel
verlaufender Unterseite zu Oberseite der kleinste Abstand als Abstand
anzunehmen. Dies ist beispielsweise bei einer wellblechartigen Oberseite
der Absorptionsplatte wichtig. Der Abstand zwischen der Oberseite
der Absorptionsplatte und der Unterseite des PV-Moduls liegt bevorzugt
zwischen 10 bis 28 mm, besonders bevorzugt zwischen 20 und 27 mm, insbesondere
bevorzugt zwischen 24 und 26 mm. Am meisten bevorzugt ist der Abstand
zwischen der Unterseite des PV-Moduls und der Oberseite der Absorptionsplatte
25 mm.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das PV-Modul
(20) gegenüber dem Absorbermodul (30)
mit mindestens einem Aktor (60) verschiebbar.
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Diese
Verschiebung beinhaltet sowohl translatorische als auch rotatorische
Bewegungen des PV-Moduls gegenüber dem Absorbermodul. Dabei kann
der Aktor bevorzugt am PV-Modul, besonders bevorzugt am Absorbermodul,
am meisten bevorzugt an beiden Modulen (das heißt dem PV-Modul
und dem Absorbermodul) angebracht sein. Bevorzugt hat der Aktor
die Aufgabe den Absorptionsbereich zu beeinflussen. Bevorzugt wird
der Absorptionsbereich so auf der Absorptionsplatte bewegt, dass
der Absorptionsbereich immer in den kalten Bereich der Absorptionsplatte
projiziert wird. Bevorzugt bewegt sich der gesamte Hybridkollektor
mit dem Verlauf der einfallenden Strahlung beziehungsweise den Sonnenstrahlen.
Besonders bevorzugt richtet sich das PV-Modul immer senkrecht zur
eintreffenden Strahlung aus, das heißt die einfallende
Strahlung ist permanent eine Normale auf dem PV-Modul. Des Weiteren
bevorzugt richtet der Aktor die nicht-transparenten Bereiche gegenüber
den kalten Bereichen aus.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der
Hybridkollektor des Weiteren ein Trackingsystem (70) und
eine Steuerung (80), wobei die Steuerung (80)
den Aktor (60) steuert.
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Das
Trackingsystem umfasst bevorzugt einen Sensor, welcher die Richtung
der einfallenden Strahlung bestimmen kann. Dieser Sensor des Trackingsystems
ist bevorzugt ein optischer Sensor, besonders bevorzugt umfasst
das Trackingsystem mehrere optische Sensoren. Bevorzugt sammeln
die Sensoren des Trackingsystems Informationen über den
Standort des Ursprungs der einfallenden Strahlung. Das Trackingsystem
verfolgt die Quelle der einfallenden Strahlung und gibt diese Daten
an die Steuerung des Hybridkollektors weiter. In Abhängigkeit der
gesammelten Daten des Trackingsystems wird das PV-Modul gegenüber
dem Absorbermodul oder der gesamte Hybridkollektor bewegt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsforum umfasst der
Hybridkollektor (10) optische Elemente (90) welche
einfallende Strahlung (50) auf die kalten Bereiche (31)
umlenken.
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Als
optisches Element kommen beispielsweise Linsen, Prismen, Parabolspiegel,
Spiegel, optische Systeme im Allgemeinen in Frage. Bevorzugt wird über
eines oder mehrere der genannten optischen Elemente die einfallende
Strahlung auf die kalten Bereiche konzentriert, beziehungsweise
fokussiert.
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In
der Figurenbeschreibung werden weitere bevorzugte Ausführungsformen
dargestellt. Die Figuren zeigen:
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1 Eine
schematische Zeichnung eines Hybridkollektors.
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2 Die
Absorptionsleistungsverteilung über einen Querschnitt eines
Rohres des Absorptionsmoduls.
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3 Schematische
Zeichnung einer erfindungsgemäßen Harfe (Wärmetransportsystem).
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Hybridkollektor 10.
Der Hybridkollektor 10 ist in einem Schnitt durch die XY-Ebene
dargestellt. Das Absorbermodul 30 ist parallel zu dem PV-Modul 20 angeordnet.
Der Abstand zwischen Absorbermodul 30 und PV-Modul 20 beträgt
25 mm. In Y-Richtung ist das PV-Modul 20 oberhalb des Absorbermoduls 30 angeordnet.
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Das
PV-Modul 20 weist transparente Bereiche 21 und
nicht-transparente Bereiche 22 auf. Die transparenten Bereiche 21 wechseln
sich mit den nicht-transparenten Bereichen streifenweise ab. Das heißt
die nicht-transparenten Bereiche bestehend aus EVA/PVB, Solarzellen 23,
Tedlar, PET/Aluminium und belegen die Glasscheibe von unten streifenweise.
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Die
nicht-transparenten Streifen sind jeweils 150 mm breit.
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In
Längsrichtung, das heißt in Z-Richtung, verlaufen
die nicht-transparenten Streifen über die gesamte Länge
des PV-Moduls 20. Die transparenten Bereiche 21,
welche sich zwischen den nicht-transparenten Bereichen 22 befinden,
bestehen nur aus Glas beziehungsweise Solarglas mit oder ohne weiterer
Beschichtung.
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Das
Absorbermodul 30 weist eine Oberfläche der Absorptionsplatte 35 auf,
welche der Unterseite des PV-Moduls 20 gegenüber
liegt. Die Oberseite der Absorptionsplatte 35 und die Unterseite
des PV-Moduls 20 schließen einen Isolationsraum
ein.
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Das
Absorptionsmodul weist kalte Bereiche 31 auf, welche sich
auf der Absorptionsplatte 35 befinden. Die kalten Bereiche 31 weisen
eine Breite b1 von ca. 6 mm auf. Der kalte Bereich beziehungsweise
die kalten Bereiche 31 sind noch einmal in einen mittleren
kalten Bereich 31.1 und in einen linken Randbereich 31.3 und
einen rechten Randbereich 31.2 aufgeteilt. Der mittlere
Bereich 31.1 des kalten Bereichs 31 weist genau
die Breite der Schweißnaht 36 auf, welche die
Absorptionsplatte mit dem Rohr 34 verbindet. Jedem kalten
Bereich liegt ein transparenter Bereich 21 des PV-Moduls 20 gegenüber.
Die Fläche, das heißt die Länge und Breite
von jedem kalten Bereich ist identisch mit dem gegenüber
liegenden transparenten Bereich 21.
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Bei
senkrecht einfallender Strahlung 50 entgegengesetzt der
Y-Achse des kartesischen Koordinatensystems füllt die durch
die Strahlung projizierte Fläche des transparenten Bereichs 21 den
kalten Bereich 31 flächendeckend aus. Circa 60%
der Fläche des PV-Moduls bilden die nicht-transparenten
Bereiche 22. Wird nun der Hybridkollektor 10 von
der einfallenden Strahlung 50 bestrahlt, so werden ca.
60% der einfallenden Strahlen von den nicht-transparenten Bereichen
abgefangen und in elektrische Energie umgewandelt. Circa 40% der
senkrecht einfallenden Strahlung 50 treffen als Absorptionsbereich
auf die kalten Bereiche 31. Der Absorptionsbereich ist
damit mit dem kalten Bereich deckungsgleich. Die senkrecht einfallende
Strahlung wird von dem kalten Bereich 31 absorbiert, in
thermische Energie umgewandelt und über die Schweißnaht 36 an
die Rohre 34 weitergeleitet, welche mit Wärmeträgerflüssigkeit 37 gefüllt
sind. Die Wärmeträgerflüssigkeit wird
mit einer Temperatur von circa –20°C in das Wärmetransportsystem 34 eingeleitet
und mit einer Temperatur von circa 150°C ausgeschleust.
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Dabei
führt ein Rohr in den Hybridkollektor hinein und wird dort
harfenförmig aufgefächert, wobei die Rohre 34 dann über
die Fläche des Hybridkollektors parallel verlaufen. Über
den parallelen Rohrverlauf im Hybridkollektor erwärmt sich
die Wärmeträgerflüssigkeit 37.
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Dadurch,
dass die transparenten Bereiche über den kalten Bereichen
der Absorptionsplatte, beziehungsweise des Absorbermoduls liegen,
kann die besonders hohe Absorptionsleistung in den kalten Bereichen
ausgenutzt werden, um einen besonderst hohen Wirkungsgrad der Solarkollektoren
zu erzielen. Dadurch, dass die warmen Bereiche 32 von den nicht-transparenten
Bereichen 23 abgeschattet werden, wird die an sich geringe
Absorptionsleistung der warmen Bereiche 32 außer
Betracht gelassen und durch eine wesentlich höhere elektrische
Leistung ersetzt, dadurch dass die warmen Bereiche von Solarzellen 23 abgeschattet
werden. Durch das Auftreffen der einfallenden Strahlung 50 auf
die Solarzellen 23 wird elektrische Energie gewonnen. Damit
erfüllt der erfindungsgemäße Hybridkollektor 10 eine
optimale Ausnutzung der ein fallenden Strahlung, das heißt
der einfallenden Energie durch eine kombinierte Umwandlung von Wellenenergie
in thermische und elektrische Energie.
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2 zeigt
einen vergrößerten Querschnitt durch das Absorbermodul 30.
Des Weiteren zeigt 2 die Schweißnaht 36 als
Verbindung zwischen dem Rohr 34 und der Absorptionsplatte 35.
Oberhalb der Absorptionsplatte 35 ist die einfallende Strahlung 50 durch
nach unten zeigende Pfeile verdeutlicht. Diese einfallende Strahlung 50 trifft
auf den kalten Bereich 31 der Absorptionsplatte 35.
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Das
unter dem Rohr 34 abgebildete XY-Diagramm zeigt die Absorptionsleistungskurve
in Form einer gaußschen Glockenkurve. In y-Richtung ist
die Höhe der Absorptionsleistung abzulesen. In x-Richtung
wird der Verlauf der Absorptionsleistung mit zunehmender Breite
b1 des kalten Bereichs aufgezeigt. Es ist deutlich zu sehen, dass
die Absorptionsleistung Pmax also die maximale Leistung auf der
Absorptionsplatte dort ist, wo die Schweißnaht die Absorptionsplatte 35 mit
dem Rohr 34 verbindet.
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Rechts
und links von der Schweißnaht 36 fällt
die Absorptionsleistung ab. Ein linker Punkt Bl und ein Rechter
Punkt Br auf der Absorptionsleistungskurve F(x) markieren die Breite
b1 des kalten Bereichs, beziehungsweise definieren die Breite des kalten
Bereichs. Die Punkte Bl und Br zeigen die identische Absorptionsleistung
in entgegen gesetzter Richtung an. Die Punkte Bl und Br liegen auf
der Absorptionsleistungsfunktion dort, wo die Absorptionsleistung
25% der maximalen Absorptionsleistung Pmax beträgt. Bevorzugt
liegen die Punkte Bl und Br aber auch dort auf der Absoptionskurve
F(x), wo die Absorptionsleistung zwischen 10% und 70% der maximalen
Absorptionsleistung aufweist, beosnders bevorzugt zwischen 20% und
50% der maximalen Absorptionsleistung aufweist, am meisten bevorzugt zwischen
25% und 30% der maximalen Absorptionsleistung aufweist.
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Die
Figur zeigt, wie der kalte Bereich 31 in seiner Breite über
die Absorptionsleistungsfunktion definiert werden kann. Es kann
so eine Abgrenzung zwischen warmen und kalten Bereich getroffen werden.
Die Grenze zwischen warmen und kalten Bereichen ist mit Hilfe der
Absorptionsleistungsfunktion bestimmbar. Weist die Absorptionsleistung
im kalten Bereich 31 nur noch 25% der maximalen Absorptionsleistung
des kalten Bereichs auf. So markiert die 25%-Marke den Rand, beziehungsweise
den Übergang zwischen kaltem Bereich 31 und warmen
Bereich 32.
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Sind
beispielsweise wie in 3 mehrere Rohre 34 dicht
aneinander gelegt, fällt die Absorptionsleistung zwischen
den einzelnen Schweißverbindungen 36 nicht unter
die Grenze von 25% Pmax. Dies bedeutet, dass sich zwischen zwei
Rohren kein warmer Bereich befindet, womit eine Fläche
von parallel laufenden Rohren beziehungsweise Schweißnähten
aufgespannt werden kann, welche keine warmen Bereiche enthält.
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In 3 wird
eine Harfe eines Wärmetransportsystems mit 2 × 6
parallel laufenden Rohren dargestellt. Senkrecht zu den 2 × 6
parallel laufenden Rohren läuft ein Zufluss beziehungsweise
ein Abflussrohr, welches die 12 parallel laufenden Rohre miteinander
verbindet. Über das Einflussrohr 34.1 wird kalte
Wärmeträgerflüssigkeit 37 eingeleitet.
Diese Wärmeträgerflüssigkeit teilt sich
auf die 12 parallel laufenden Rohre 34 auf, erwärmt
sich dort und wird über das Abflussrohr 34.2 aus
der Harfe abgeführt. Die Harfe weist ein erstes Rohrbündel 34.3 und
ein zweites Rohrbündel 34.4 auf. Jedes Rohrbündel
umfasst 6 parallel laufende Rohre. Jedes Rohr eines jeden Rohrbündels
ist mit der Absorptionsplatte 35 des Absorbermoduls 30 verbunden.
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Aus
der Draufsicht betrachtet ist der Abstand zwischen den Rohren jedes
einzelnen Rohrbündels so gering, dass sich kein warmer
Bereich auf der Fläche eines Rohrbündels ausbilden
kann. Die Absorptionsleistung bewegt sich zwar wellenförmig
auf und nieder, das heißt geht zwischen den Rohren hinunter, jedoch
erreicht niemals den kritischen Punkt der Absorptionsleistung von
25% Pmax, welcher einen warmen Bereich definieren würde.
Allerdings fällt die Absorptionsleistung zwischen den einzelnen
Rohrbündeln 34.1 und 34.2 so stark ab,
dass sich dort ein warmer Bereich bildet. Genau über diesen
Bereich befindet sich im Bereich des PV-Moduls ein nicht transparenter
Bereich 22. In diesen Bereich zwischen den beiden Rohrbündeln
werden streifenartig zwei Solarzellenbänder unter die Glasscheibe
des PV-Moduls 20 geklebt. Des Weiteren werden die Bereiche
rechts des rechten Rohrbündels und links des linken Rohrbündels
mit jeweils einem Streifen Solarzellen auf Höhe der des
PV-Moduls 20 bestückt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10207852
A1 [0003]
- - DE 10064164 A1 [0004]
- - WO 2008/125264 A1 [0005]