DE3923821A1 - Solar collector combined with photovoltaic collector - has UV and visible radiation passed through IR absorbing thermic collector onto photovoltaic collector - Google Patents
Solar collector combined with photovoltaic collector - has UV and visible radiation passed through IR absorbing thermic collector onto photovoltaic collectorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Kollektor zur Ge winnung von Energie aus der Strahlung der Son ne, mit einem von einem Medium durchflossenen Wärmetauscher (thermischer Kollektor).The invention relates to a collector for Ge extraction of energy from the radiation of the son ne, with a medium through which it flows Heat exchanger (thermal collector).
Zur Einsparung von Heizenergie sind Einsatz und Verwendung sogenannter Solarkollektoren bekannt, die in ihrem Kernstück aus einem von einem Medium durchflossenen Wärmetauscher be stehen, der die auftreffende Sonnenstrahlung absorbiert und das durchfließende Medium hier durch erwärmt. Optimale Energieausbeute er hält man bei maximaler Absorption, wozu der Wärmetauscher dunkel und undurchsichtig ein gefärbt wird. Sie werden im Hinblick auf ihre physikalische Wirkungsweise als thermische Kollektoren bezeichnet. Bei dem den Wärmetau scher durchströmenden Medium handelt es sich um hierfür geeignetes Medium wie z. B. Öl, das seine Energie auf einen anderen Heizkreislauf übertragen kann. Mit Hilfe des thermischen Kollektors wird die Strahlungsenergie der Sonne (und auch die Umgebungswärme) aufge nommen und in Wärmeenergie umgewandelt.Use to save heating energy and use of so-called solar collectors known, which in its core from one of a heat exchanger through which the medium flows stand by the incident solar radiation absorbed and the flowing medium here warmed by. Optimal energy yield you keep at maximum absorption, which is why Heat exchanger dark and opaque is colored. You will be with regard to their physical mode of action as thermal Designated collectors. With the heat rope shear flowing medium to suitable medium such. B. Oil that its energy on another heating circuit can transmit. With the help of thermal The radiation energy of the collector Sun (and also the ambient heat) up taken and converted into thermal energy.
Ebenfalls bekannt sind Solarzellen, durch die die Energie der Sonnenstrahlung mit Hilfe des Photoeffektes unmittelbar in elektrische Ener gie umgewandelt wird. Sie bestehen häufig aus Halbleiter-Photoelementen und dienen zusammen gefaßt zu Solarbatterien der Stromversorgung, z.B. von Meß- und Steuergeräten sowie der Energieversorgung von Satelliten und Raumson den. Sie werden im Gegensatz zu den vorbe schriebenen thermischen als photovoltaische Kollektoren bezeichnet.Also known are solar cells through which the energy of solar radiation with the help of Photo effects directly in electrical energy gie is converted. They often consist of Semiconductor photo elements and serve together made for solar batteries of the power supply, e.g. of measuring and control devices and the Power supply from satellites and Raumson the. You will be unlike the previous ones wrote thermal as photovoltaic Designated collectors.
Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaffung eines Kollektors zur Gewinnung von Energie aus der Strahlung der Sonne zur Auf gabe gemacht, der eine maximale Ausbeute der auftreffenden Energie gestattet.Proceeding from this, the invention has Creation of a collector for the extraction of Energy from the radiation of the sun made a maximum yield of the allowed energy.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß da durch, daß neben dem thermischen Kollektor zusätzlich ein photovoltaischer Kollektor an gebracht wird.This object is achieved according to the invention through that next to the thermal collector additionally a photovoltaic collector brought.
In an sich bekannter Weise besteht der ther mische Kollektor aus einem Wärmetauscher, beispielsweise in Form einer Vielzahl nahe beieinanderliegender und schlangenförmig an geordneter Rohre oder paralleler Platten, die von dem zu erwärmenden Medium durchflossen sind. Die Kombination sowohl thermischer als auch photovoltaischer Kollektoren bietet den entscheidenden Vorteil der gleichzeitigen Be reitstellung sowohl von Wärme- als auch elek trischer Energien, wie sie i.d.R. auch benötigt werden.In a manner known per se, ther mix collector from a heat exchanger, for example in the form of a variety close closer together and snake-shaped ordered tubes or parallel plates that flowed through by the medium to be heated are. The combination of both thermal and also offers photovoltaic collectors decisive advantage of simultaneous loading provision of both heat and elec energies, as they are usually also needed will.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kombination thermischer und photovoltaischer Kollektoren besteht darin, den ersteren für sichtbares und/oder ultra violettes Licht durchlässig zu machen und ihn in Ausbreitungsrichtung der Strahlen gesehen vor dem photovoltaischen Kollektor anzuord nen.A particularly preferred embodiment of the combination of thermal and inventive photovoltaic collectors consists of the former for visible and / or ultra and to make violet light translucent seen in the direction of propagation of the rays to be placed in front of the photovoltaic collector nen.
Diesem Vorschlag liegt die Erkenntnis zugrun de, daß sich bestimmte Frequenzbereiche aus dem Spektrum der auftreffenden elektromagneti schen Wellen bevorzugt durch den thermischen Kollektor und andere besser durch den photo voltaischen Kollektor verwerten lassen. Für die Wärmegewinnung im thermischen Kollektor bietet sich die Strahlung aus dem Infrarot bereich an, wohingegen der sichtbare und/ oder ultraviolette Frequenzbereich im photo voltaischen Kollektor eine maximale Energie ausbeute ergibt. In Abweichung vom Stande der Technik, in dem zur Maximierung der Absorp tion die thermischen Kollektoren dunkel und insbesondere schwarz eingefärbt sind, werden sie nunmehr aus für sichtbares und UV-Licht durchlässigem Material erstellt, so daß ein zig der infrarote Spektralbereich absorbiert wird, so daß andererseits die für die Verwer tung im photovoltaische Kollektor besser ge eigneten sichtbaren und/oder ultravioletten Strahlen hindurchtreten können, so daß sie zum photovoltaischen Kollektor gelangen. Die Erfindung hat erkannt, daß eine optimale Energieausbeute durch selektive Nutzung der auftreffenden Frequenzen möglich wird. Neben der Maximierung der Energieausbeute der von der Sonne, aber auch von anderen Licht quellen ausgehenden elektromagnetischen Wel len besteht ein weiterer Vorteil darin, daß durch den Wärmetauscher des thermischen Kol lektors dem gesamten System Wärme entzogen wird, und eine Erhitzung der einzelnen photo voltaischen Elemente weitgehend unterdrückt wird. Bereits geringe Temperaturerhöhungen haben zur Folge, daß der Wirkungsgrad der Photozellen und die Altersdegradierung we sentlich reduziert wird. Zusätzlich liefert der thermische Kollektor einen mechanischen Schutz der Photozellen.The knowledge is based on this proposal de that certain frequency ranges the spectrum of the incident electromagnetic preferred waves due to the thermal Collector and others better through the photo Have the voltaic collector recycled. For heat generation in the thermal collector offers the radiation from the infrared area, whereas the visible and / or ultraviolet frequency range in the photo voltaic collector maximum energy yield yields. In deviation from the state of Technique in which to maximize the Absorp tion the thermal collectors dark and in particular are colored black they are now out for visible and UV light permeable material created so that a umpteen of the infrared spectral range is absorbed is, so that on the other hand the for the user better in the photovoltaic collector suitable visible and / or ultraviolet Rays can pass through them so that get to the photovoltaic collector. The Invention has recognized that an optimal Energy yield through selective use of the incident frequencies is possible. In addition to maximizing the energy yield of the from the sun, but also from other light swell outgoing electromagnetic world len is another advantage that through the heat exchanger of the thermal col Extracted heat from the entire system and heating each photo voltaic elements largely suppressed becomes. Even small increases in temperature have the consequence that the efficiency of the Photocells and age degradation we is significantly reduced. Additionally delivers the thermal collector is a mechanical one Protection of the photocells.
Um die Wärmeerzeugung im thermischen Kollek tor zu maximieren, ist die Verwendung von nur IR-Strahlung absorbierenden Materials von Vor teil. Es läßt einerseits die ultraviolette und teilweise auch sichtbare Strahlung durch den Wärmetauscher hindurchgehen und zum photovol taischen Kollektor gelangen, absorbiert jedoch andererseits die Frequenzen des IR-Bereiches sowohl als Oberflächen- als auch als Volumen absorber, so daß sich eine maximale Erwärmung des Wärmetauschers ergibt. Dies entspricht dem Idealfall.About heat generation in the thermal collector To maximize tor is the use of only IR radiation absorbing material from Vor part. It leaves the ultraviolet and some also visible radiation from the Go through heat exchanger and to photovol tain collector, but absorbs on the other hand, the frequencies of the IR range both as surface and as volume absorber so that there is maximum warming of the heat exchanger. This corresponds to that Ideal case.
In Abhängigkeit von dem am Einsatzort jeweils herrschenden Bedürfnissen ändert sich die ge wünschte Menge an thermischer und/oder elek trischer Energie sowohl von Einsatzort zu Ein satzort als auch in Abhängigkeit von der Zeit. Zur Beeinflussung des gewonnenen Anteils an elektrischer sowie thermischer Energie wird in einer Weiterbildung die variable Einfär bung des Mediums vorgeschlagen. Die Beigabe eines dunklen Farbstoffes erhöht den im Wär metauscher absorbierten Anteil der elektro magnetischen Strahlung und demzufolge auch die Ausbeute an Wärmeenergie. Gleichzeitig sinkt der bis an den photovoltaischen Kol lektor gelangende Anteil der auftreffenden Strahlung mit der Folge einer geringeren Aus beute an elektrischer Energie. Umgekehrt wird durch Herausfiltern oder Neutralisation des dunklen Farbstoffes die Durchlässigkeit des thermischen Kollektors erhöht, die Ausbeute an Wärmeenergie verringert und die an elek trischer Energie erhöht.Depending on the location prevailing needs changes ge Desired amount of thermal and / or elec trical energy both from site to site location as well as depending on the time. To influence the share gained electrical and thermal energy in a further training the variable Einfär Exercise of the medium suggested. The encore of a dark dye increases the warmth Meters exchanged portion of the electro magnetic radiation and therefore also the yield of thermal energy. At the same time it drops to the photovoltaic col Proofing portion of the incoming Radiation with the consequence of a lower off loot of electrical energy. Conversely by filtering out or neutralizing the dark dye the permeability of the thermal collector increases the yield reduced in thermal energy and that in elec tric energy increased.
Ein weiterer, gleichzeitig oder unabhängig von der bisher beschriebenen Lösung realisierbarer Vorschlag zur Erhöhung der Energieausbeute be steht darin, den Wärmetauscher in ein superiso lierendes Aerogel, z.B. Silicataerogel, einzu betten. Unter Aerogelen versteht man feste, aus einem Gel hergestellte und entstandene Substan zen, in dem die Flüssigkeit durch ein Gas er setzt wird. Bei geringer Dichte besitzen sie ein hohes thermisches Isolationsvermögen, so daß die durch Absorption im thermischen Kollek tor gebildete Wärme nicht nach außen abgegeben sondern vollständig durch das durchfließende Medium aufnehmbar wird. Von besonderem Vorteil ist, daß das Aerogel durchlässig ist für die elektromagnetischen Wellen des ultravioletten, sichtbaren sowie des nahen infraroten Berei ches. Der übrige überwiegende Teil des infra roten Spektrums hingegen wird absorbiert. Die Absorptionskante des dotierten Aerogels liegt oberhalb zweier Mikrometer. Die Durchlässig keit für die entsprechende elektromagnetische Strahlung erweist sich im Hinblick auf die Ausnutzung im photovoltaischen Kollektor als entscheidender Vorzug.Another, simultaneously or independently of the previously described solution more feasible Proposal to increase the energy yield is to put the heat exchanger in a superiso airgel, e.g. Silica airgel, to beds. Aerogels are solid, from a substance produced and produced in a gel zen in which the liquid through a gas er is set. With low density they have high thermal insulation capacity, so that by absorption in the thermal collector heat generated is not released to the outside but completely through the flowing Medium is recordable. Of particular advantage is that the airgel is permeable to the electromagnetic waves of the ultraviolet, visible as well as the near infrared range ches. The rest of the majority of the infra red spectrum, however, is absorbed. The Absorption edge of the doped airgel lies above two micrometers. The permeable speed for the corresponding electromagnetic Radiation turns out to be Utilization in the photovoltaic collector as decisive advantage.
Zum Schutz des Aerogels ist von Vorteil, in Ausbreitungsrichtung der Strahlen vor dem Aerogel eine Abdeckung z.B. aus Glas anzubrin gen, wodurch ein entsprechender Schutz gegen über Einwirkungen von außen erhaltbar wird.To protect the airgel is beneficial in Direction of propagation of the rays before Airgel a cover e.g. made of glass gene, which provides appropriate protection against can be obtained through external influences.
Um thermische Verluste durch die Wärmeleitung von Gasen zu verringern, ist vorgesehen, eine Teilevakuierung und/oder eine Edelgasfüllung vorzunehmen.To thermal losses through heat conduction of gases is intended to reduce one Part evacuation and / or a rare gas filling to make.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Beschreibungsteil entnehmen, indem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfin dung näher erläutert wird.More details, features and advantages the invention can be the following Remove the description section by using the Drawing an embodiment of the Erfin is explained in more detail.
Sie zeigt in sche matisch gehaltener Darstellung einen Quer schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kollek tor.She shows in che matically depicted a cross cut through a collector according to the invention gate.
Er besteht in seinem grundsätzlichen Aufbau aus einem thermischen Kollektor (1) und einem photovoltaischen Kollektor (2).Its basic structure consists of a thermal collector ( 1 ) and a photovoltaic collector ( 2 ).
Der thermische Kollektor (1) ist durch eine vielzahl senkrecht zur Zeichenebene verlau fender und schlangenförmig angeordneter Roh re (3) realisiert, die im geringen Abstand zueinander verlaufen und über Stege (4) mit einander verbunden sind. Die Rohre (3) werden durch ein Medium (5) beaufschlagt. Die in der Darstellung von oben her auftreffende elektro magnetische Strahlung (6) wird teilweise durch die Wandungen der Rohre (3) sowie des Steges (4) absorbiert, in Wärmeenergie umgesetzt und durch das Medium (5) abgeführt. Der restliche, durchgehende Teil der Strahlung gelangt an den im Abstand darunter befindlichen photovolta ischen Kollektor (2).The thermal collector ( 1 ) is realized by a large number of tubes that run perpendicularly to the plane of the drawing and are arranged in a serpentine shape ( 3 ), which run at a short distance from one another and are connected to one another via webs ( 4 ). The tubes ( 3 ) are acted upon by a medium ( 5 ). The electromagnetic radiation ( 6 ) which strikes from above is partially absorbed by the walls of the tubes ( 3 ) and the web ( 4 ), converted into thermal energy and dissipated through the medium ( 5 ). The rest of the continuous part of the radiation reaches the photovoltaic collector ( 2 ) located at a distance below it.
Er besteht aus einer Vielzahl einzelner Zel len, indem die auftreffende Strahlung über den Photoeffekt Elektronen freisetzt und ei ne Spannung erzeugt.It consists of a large number of individual cells len by the incident radiation over the photo effect releases electrons and ei ne tension generated.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der ther mische Kollektor (1) von einem der Reduzierung der Wärmeverluste dienenden Aerogel (7) umgeben. Es dient darüberhinaus auch der Absorption der IR- und dem Durchlaß der UV-Strahlung.In the exemplary embodiment shown, the thermal collector ( 1 ) is surrounded by an airgel ( 7 ) which serves to reduce the heat losses. It also serves to absorb IR and pass UV radiation.
Nach außen hin, d.h. in Ausbreitungsrichtung der Strahlung (6) vor dem thermischen Kollek tor (1) befindet sich eine dem Schutz dienende Glasscheibe (8). Der durch diese und den pho tovoltaischen Kollektor (2) definierte Raum kann zur Verringerung der Wärmeverluste durch Gaswärmeleitung teilevakuiert und/oder mit ei ner Edelgasfüllung versehen werden.To the outside, ie in the direction of propagation of the radiation ( 6 ) in front of the thermal collector ( 1 ) is a protective glass pane ( 8 ). The space defined by this and the photovoltaic collector ( 2 ) can be partially evacuated and / or provided with a noble gas filling to reduce heat losses through gas heat conduction.
Im Ergebnis erhält man einen Kollektor, der die gleichzeitige Gewinnung thermischer und elektrischer Energie bei maximalem Wirkungs grad gestattet.The result is a collector that the simultaneous extraction of thermal and electrical energy with maximum effectiveness degrees allowed.
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