DE3419797A1 - Solar energy converter - Google Patents
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Abstract
Description
Solar- Energiewandler Solar energy converter
Die Erfindung betrifft einen Solar- Energiewandler zur gleichzeitigen Umwandlung von Strahlungseneraie in elektrische- und in Wärme- Energie, aus einem ei wärmeleitendes Medium führenden Absorber, der mit photovoltaischen Solarzellen kombiniert ist.The invention relates to a solar energy converter for simultaneous Conversion of radiation energy into electrical and heat energy, from one ei thermally conductive medium leading absorber with photovoltaic solar cells is combined.
Photovoltaische Solarzellen zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie können aus unterschiedlichsten Halbleitermaterialien hergestellt werden. Diese beispielsweise aus einkristallinem oder polykristallinem Silicium bestehenden Bauelemente mit einem pn-Übergang weisen einen Wirkungsgrad auf, der im wesentlichen materialabhängig ist. Bis vor kurzem wurden nur Zellen mit einer ganzflächig metallisierten Rückseite und einer gitter- oder fingerförmig metallisierten Vorderseite verwendet. In jüngster Zeit wurden Solarzellen vorgeschlagen, bei denen der Rückseitenkontakt ebenfalls gitter- oder fingerförmig ausgebildet und dadurch strahlungsdurchlässig ist. Solarzellen dieser Ausführungsform haben den Vorteil, daß Lichtstrahlung nicht nur von der Vorderseite der Zellen, sondern auch von der Rückseite in die Solarzelle eindringen kann. Auf diese Weise ist es möglich, Streulicht oder reflektiertes Licht über die Rückseite der Solarzelle auszunutzen. Eine Solarzelle mit einem durchbrochenen Rückseitenkontakt hat ferner den Vorteil, daß die im Halbleiterkörper nicht absorbierte Strahlungsenergie durch die Rückseite der Solarzelle wieder austritt und so nicht zu einer den Wirkungsgrad vermindernden Erwärmung der Zelle führt.Photovoltaic solar cells for converting solar energy into electrical energy Energy can be produced from a wide variety of semiconductor materials. These consist, for example, of monocrystalline or polycrystalline silicon Components with a pn junction have an efficiency that is essentially is material-dependent. Until recently, only cells were metallized over the entire surface Back and a grid or finger-shaped metalized front used. Recently, solar cells in which the back contact is proposed have been proposed also lattice-shaped or finger-shaped and therefore permeable to radiation is. Solar cells of this embodiment have the advantage that no light radiation only from the front of the cells, but also from the back into the solar cell can penetrate. In this way it is possible to use scattered light or reflected light on the back of the solar cell. One Solar cell with a perforated back contact has the further advantage that the in the semiconductor body Unabsorbed radiation energy exits through the back of the solar cell and thus does not lead to a heating of the cell that would reduce the efficiency.
Andererseits sind für die Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme seit längerer Zeit sogenannte Solarkollektoren bekannt. Hierbei wird die Eigenschaft verschiedenster Materialien ausgenutzt, die Sonnenstrahlung absorbieren und dadurch erwärmen. Der Wärmekollektor wird vorzugsweise mit Glas oder anderen Materialien abgedeckt, um zu verhindern, daß das durch die Sonnenstrahlung erwärmte Material wieder Wärme durch Strahlung oder Konvektion an die Umgebung abgibt. Die so gewonnene Wärmeenergie wird entweder durch Luft oder ein anderes wärmeleitendes Medium, wie Wasser oder Glykol, zur Erwärmung von Brauchwasser oder Schwimmbädern bzw. zur Beheizung von Gebäuden verwendet.On the other hand are for the conversion of solar energy into heat since So-called solar collectors known for a long time. Here the property exploited various materials that absorb solar radiation and thereby heat. The heat collector is preferably made with glass or other materials covered to prevent the material heated by solar radiation again emits heat to the environment through radiation or convection. The one won in this way Thermal energy is generated either through air or some other heat-conducting medium, such as Water or glycol, for heating industrial water or swimming pools or for heating used by buildings.
In jüngster Zeit wurde vorgeschlagen, unmittelbar auf die Absorberfläche - bei entsprechender wärmeleitender Ankopplung - photovoltaische Solarzellen aufzubringen.Recently it has been suggested to apply directly to the absorber surface - with appropriate thermally conductive coupling - apply photovoltaic solar cells.
Hierdurch wird erreicht, daß die in der Solarzelle absorbierte und nicht in elektrischen Strom umgewandelte Energie in Form von Wärme an den Kollektor abgegeben wird. Es liegt somit ein Sonnenenergiewandler vor, der sowohl elektrischen Strom als auch Wärme erzeugt. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Solarzellen im wesentlichen die Temperatur der Absorberfläche annehmen, wodurch der Wirkungsgrad für die Energieumwandlung in Strom erheblich reduziert wird.This ensures that the absorbed in the solar cell and Energy not converted into electricity in the form of heat to the collector is delivered. There is thus a solar energy converter, which is both electrical Generates electricity as well as heat. The disadvantage of this arrangement is that the Solar cells essentially assume the temperature of the absorber surface, whereby the efficiency for converting energy into electricity is significantly reduced.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Solarenergiewandler anzugeben, bei dem die Sonnenenergie sowohl zur Erzeugung von elektrischer Energie a.s auch von Wärmeenergie ausgenutzt wird, wobei jedoch die photovoltaischen Solarzellen mit einem optimalen Wirkungsgrad arbeiten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Solarenergiewandler der eingangs erwähnten Art die für Wärmestrahlung durchlässigen Solarzellen an einer Trägerplatte befestigt sind, die derart vom Absorber getrennt ist, daß zwischen den Solarzellen und dem Absorber keine oder nur eine unwesentliche Wärmeleitung besteht. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Solarzellen eine möglicl;st niedrige und der Absorber eine möglichst nohe Temperatur annimmt. Beide, der Energieumwandlung dienerlen Teile des Energiewandlers arbeiten dann mit ihrem höchstmöglichen Wirkungsgrad.The invention is therefore based on the object of a solar energy converter indicate in which solar energy is used both to generate electrical energy a.s is also used by thermal energy, but the photovoltaic solar cells work with optimal efficiency. This object is achieved according to the invention solved that in a solar energy converter of the type mentioned for thermal radiation Permeable solar cells are attached to a carrier plate, which is so from the absorber is separated that between the solar cells and the absorber no or only one insignificant heat conduction exists. This measure ensures that the Solar cells as low as possible and the absorber as high as possible accepts. Both parts of the energy converter serving the energy conversion work then with their highest possible efficiency.
Zwischen der Trägerplatte, die die Solarzellen aufnimmt oder enthält, und dem Absorber ist vorzugsweise ein Hohlraum angeordnet, der mit Luft oder Vakuum gefüllt ist, und so die Isolation zwischen den photovoltaischen Solarzellen und dem Absorber vornimmt. Der Abstand zwischen den Solarzellen und dem Absorber beträgt vorzugsweise mehrere Centimeter.Between the carrier plate, which receives or contains the solar cells, and the absorber is preferably arranged a cavity, which is filled with air or vacuum is filled, and so is the insulation between the photovoltaic solar cells and the absorber. The distance between the solar cells and the absorber is preferably several centimeters.
Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung wird nachfolgend noch anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention and its further advantageous embodiment are described below explained in more detail on the basis of exemplary embodiments.
Die Figur 1 zeigt den Solar- Energiewandler nach der Erfindung.Figure 1 shows the solar energy converter according to the invention.
In Figur 2 ist eine Abwandlung dieses Solarenergiewandlers dargestellt, bei der die Trägerplatte für die Solarzellen aus einem Verbundglas besteht, in das die Solarzellen eingebettet sind.In Figure 2 a modification of this solar energy converter is shown, in which the carrier plate for the solar cells consists of a laminated glass into which the solar cells are embedded.
Der Solarenergiewandler (1) nach Figur 1 besteht aus einer rahmen- oder kastenförmigen Tragkonstruktion (10), in der der Absorber (5) untergebracht ist. Diese Tragkonstruktion (10) weist eine Deckplatte (2) auf, die beispielsweise aus Glas besteht und an deren der Absorber zugewandten Oberflächenseite die photovoltaischen Solarzellen (3) befestigt sind. Die Solarzellen (3) bestehen beispielsweise aus einkristallinem oder aus polykristallinem Silicium, die an ihren aneinander gegenüberliegenden Oberflächenseiten mit durchbrochenen Kontaktierungstrukturen versehen sind. Diese Kontaktierungsstrukturen sind beispielsweise kamm- oder fingerförmig, so daß ein Großteil der Ultrarot-Wärmestrahlung die Solarzellen (3) durchdringen und den Absorber (5) erwärmen kann. Die Kontakte an den Solarzellen sind miteinander verschaltet, wobei sowohl eine Parallelschaltung als auch eine Hintereinanderschaltung der Solarzellen möglich ist, je nachdem, welche Strom- bzw. Spannungsverhältnisse am Ausgang des Solarmoduls gewünscht werden.The solar energy converter (1) according to Figure 1 consists of a frame or box-shaped supporting structure (10) in which the absorber (5) is housed is. This support structure (10) has a cover plate (2), which for example consists of glass and on the surface side facing the absorber the photovoltaic Solar cells (3) are attached. The solar cells (3) consist of, for example monocrystalline or polycrystalline silicon, which at their opposite one another Surface sides are provided with perforated contacting structures. These Contacting structures are, for example, comb-shaped or finger-shaped, so that a Most of the infrared heat radiation penetrates the solar cells (3) and the absorber (5) can heat up. The contacts on the solar cells are interconnected, whereby both a parallel connection and a series connection of the solar cells is possible, depending on the current or voltage ratios at the output of the Solar module are desired.
Die Verschaltung der Solarzellen untereinander erfolgt beispielsweise mit Hilfe der üblichen bandförmigen Verbinder oder über ein Leitbahnsystem, das auf der Glasplatte im Bereich der Zwischenräume zwischen den einzelnen Solarzellen angeordnet und mit den Anschlußkontakten der einzelnen Zellen elektrisch leitend verbunden ist.The interconnection of the solar cells takes place, for example with the help of the usual ribbon-shaped connector or via a conductor track system that on the glass plate in the area of the spaces between the individual solar cells arranged and electrically conductive with the connection contacts of the individual cells connected is.
Die Solarzellen (3) können beispielsweise mittels eines Infrarotlicht durchlässigen Klebers an der Glasplatte (2) befestigt werden. Die kastenförmige Tragkonstruktion (10) enthält ferner den Absorber (5), der aus Kunststoff oder Metall bestehen kann und über seinen ganzen Querschnitt ein vorzugsweise mäanderförmig gelegte Rohr(6) für den Durchfluß des wärmeführenden Mediums enthält.The solar cells (3) can for example by means of an infrared light permeable adhesive to be attached to the glass plate (2). The box-shaped one The support structure (10) also contains the absorber (5), which is made of plastic or metal can exist and over its entire cross-section a preferably meander-shaped contains laid tube (6) for the flow of the heat-carrying medium.
Diese wärmeführende Medium kann aus Wasser, aus Wasser-Alkoholgemischen oder beispielsweise aus Glykol bestehen. Der Absorber kann auch aus einem flachen Metall-oder Kunststoffkasten bestehen, der durch ianenliegende Trennwände so aufgeteilt ist, daß ein den Absorber durchfließendes wärmeleitendes Medium diese manderförmig durchfließt und somit die eingestrahlte Wärme aufnimmt.This heat-carrying medium can consist of water or a mixture of water and alcohol or consist, for example, of glycol. The absorber can also consist of a flat Metal or plastic boxes are made, which are divided up by partition walls is that a heat-conducting medium flowing through the absorber meanders flows through and thus absorbs the radiated heat.
Zwischen dem Absorber (5) und den Solarzellen (3) befindet sich ein Hohlraum (4), der mit Luft oder Vakuum gefüllt ist und so eine Wärmeisolation zwischen den Solarzellen (3) und dem Absorber bewirkt. Die Ultrarotstrahlung durchdringt die Glasplatte (2), die Solarzellen (3) und den Hohlraum (4) und erwärmt das den Absorber durchfließende wärmeleitende Medium, ohne daß die photovoltaischen Solarzellen (3) die Temperatur des Absorbers annehmen. Der Abstand (a) zwischen den Solarzellen und der Absorberfläche beträgt einige cm, beispielsweise 5 cm. Die Rückseite des Absorbers, die den Solarzellen abgewandt ist, wird vorzugsweise zur Vermeidung von Wärmeverlusten isoliert, wobei als Isoliermaterial beispielsweise Glaswolle verwendet werden kann.Between the absorber (5) and the solar cells (3) there is a Cavity (4), which is filled with air or vacuum and so a thermal insulation between causes the solar cells (3) and the absorber. The ultrared radiation penetrates the glass plate (2), the solar cells (3) and the cavity (4) and heats the Heat-conducting medium flowing through absorber without affecting the photovoltaic solar cells (3) assume the temperature of the absorber. The distance (a) between the solar cells and the absorber area is a few cm, for example 5 cm. The back of the Absorber, which faces away from the solar cells, is preferably used to avoid Insulated heat losses, with glass wool used as an insulating material, for example can be.
Die Anordnung nach Figur 2 unterscheidet sich von der der Figur 1 dadurch, daß die Trägerplatte (2) aus einem Verbundglas besteht, in das die Solarzellen (3) eingebettet sind. Hierzu besteht die oberste Platte (2) aus Glas, auf die eine erste Kunststoff-Folie (8), beispielsweise aus im Handel unter dem Namen PVB erhältlichem Material aufgebracht ist. Auf diese Folie werden die Solarzellen (3), die elektrisch leitend miteinander verbunden sind, aufgebracht. Schließlich werd die Solarzellen (3) mit einer weiteren Folie (9) abgedeckt, die vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Folie (8) besteht. Nach diesem Schichtaufbau wird das Gesamtsystem erwärmt, so daß das Folienmaterial in die Hohlräume zwischen den Solarzellen (3) fließt, so da;3 diese dicht in das Xerbundglassystem eingebettet werden F, besteht auch die Möglichkeit, die Solarzellen an der Innenseite von für Licht- und Wärmestrahlung durchlässigen Ziegeln anzubringen, die im Abstand über einem Absorber angeordnet sind. Die Solarzellen können in derartigen Ziegeln auch eingebettet werden. Ferner ist eine Ausführungsform vorstellbar, bei der die rahmenförmige oder kastenförmige Tragkonstruktion (10) gemäß Figur 1 die Form eines Dachziegels hat, so daß sie mit weiteren gleichartigen Ziegelbausteinen für eine teilweise oder vollflächige Gebäudeindeckung verwendet werden konnen.The arrangement according to FIG. 2 differs from that of FIG. 1 in that the carrier plate (2) consists of a laminated glass into which the solar cells (3) are embedded. For this purpose, the top plate (2) consists of Glass, on a first plastic film (8), for example from commercially available under the Name PVB available material is applied. The solar cells are placed on this film (3), which are electrically connected to one another, applied. In the end the solar cells (3) are covered with a further film (9), which is preferably consists of the same material as the film (8). After this build-up of layers the entire system is heated, so that the sheet material in the cavities between the Solar cells (3) flows, so that; 3 these are tightly embedded in the Xerbund glass system be F, there is also the option of placing the solar cells on the inside of for Light and heat radiation permeable bricks to be attached, which are at a distance above an absorber are arranged. The solar cells can also be used in such bricks be embedded. Furthermore, an embodiment is conceivable in which the frame-shaped or box-shaped support structure (10) according to Figure 1, the shape of a roof tile has, so that they with other similar brick blocks for a partial or full building covering can be used.
Die Tragkonstruktion wird dann in den Randbereichen mit Falzen oder Nuten versehen sein, die für den Eingriff in entsprechende Nuten oder Falze auf benachbarten Ziegeleinheiten geeignet sind.The supporting structure is then in the edge areas with folds or Grooves may be provided for engaging in corresponding grooves or folds adjacent brick units are suitable.
Die mit den beschriebenen Ausführungsformen gewonnene elektrische Energie und Wärmeenergie kann auf die bisher übliche Art und Weise genutzt werden. Eine wirtschaftliche Anwendung läßt sich insbesondere in sonnenreichen Regionen erzielen und dort, wo ein Stromversorgungsnetz oder eine einfachere Versorgung mit fossilen Brennstoffen fehlt und nur schwer herbeizuführen ist.The electrical obtained with the described embodiments Energy and thermal energy can be used in the usual way. An economic application can be found especially in sunny regions achieve and wherever a power supply network or a simpler supply with fossil fuels are missing and difficult to produce.
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