DE4210975A1 - Highly efficient sun collector - comprises photovoltaic collectors and thermal collectors stacked together with thermal black body irradiator on inside of sun collector - Google Patents

Highly efficient sun collector - comprises photovoltaic collectors and thermal collectors stacked together with thermal black body irradiator on inside of sun collector

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Abstract

Highly efficient sun collector using a combination of photovoltaic collectors and thermal collectors comprises photovoltaic collectors (3) stacked with thermal collectors (2, 5) in such a way that they lie over one another. A black body (4), arranged in the inside of the sun collectors, is a thermal irradiator on the reverse side of the photovoltaic collector (3) such that the irradiator and photovoltaic collector (3) are enclosed by a heat transfer medium (6). The outer form of the sun collectors is arranged such that the sun collectors are arranged over each other or next to each other. USE - To convert the sun's energy into usuable energy.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen hocheffizienten Sonnenkollektor mit zur Erreichung eines hohen Gesamtwirkungsgrades optimaler Anordnung der eingesetzten Bauelemente gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a highly efficient Solar panel with to achieve a high overall efficiency optimal arrangement of the components used according to the preamble of claim 1.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt in der Nutzbarmachung der auf den Erdboden auftreffenden Sonnenenergie durch ihre Umwandlung in Gebrauchsenergie.The field of application of the invention lies in the utilization the solar energy striking the earth through their conversion into energy for use.

Die solcherart bereitgestellte Gebrauchsenergie unterliegt naturgemäß jahres- und tageszeitlichen Schwankungen. Durch die besondere konstruktive Ausführung des hocheffizienten Sonnenkollektors, die es gestattet, selektiv wirkende thermische und photovoltaische Energieempfänger kombiniert und unter Ausnutzung physikalischer Gesetzmäßigkeiten anzuwenden, wird der Gesamtwirkungsgrad des hocheffektiven Sonnenkollektors erhöht. Damit wird eine Anwendung des hocheffizienten Sonnenkollektors auch unter ungünstigeren Einstrahlungsbedingungen, bei denen ein rein photovoltaischer Kollektor versagt und/oder ein thermischer Kollektor herkömmlicher Bauart nicht mehr sinnvoll anwendbar ist, ermöglicht.The usage energy provided in this way is subject to naturally fluctuations in season and time of day. By the special design of the highly efficient Solar panel, which allows selective acting combined thermal and photovoltaic energy receivers and taking advantage of physical laws Apply, the overall efficiency of the highly effective Solar panel increased. This is an application of the highly efficient solar collector even under less favorable Irradiation conditions where a purely photovoltaic Collector fails and / or a thermal collector conventional design is no longer usable, enables.

Bekannt und bereits im nennenswerten Umfang eingesetzt sind photovoltaische Kollektoren. Sie dienen der Umwandlung der auf der Erdoberfläche auftreffenden Sonnenenergie in elektrische Energie. Sie nutzen aus dem Gesamtspektrum der einfallenden Sonnenenergie den Bereich des sichtbaren Lichtes zwischen etwa 300 . . . 700 nm, wobei der genaue Spektralbereich vom verwendeten Wandlergrundmaterial abhängt. Derzeitig liegt ihr Wirkungsgrad bei 10 . . . 12%, perspektivisch scheinen 20% erreichbar. Ihre Konstruktion ist denkbar einfach. Unter einer lichtdurchlässigen Schutzschicht befinden sich auf einem flächenhaften Träger montierte und in geeigneter Weise verschaltete Solarzellen. Dieser flächenhafte Kollektor wird in geeigneter Weise so befestigt, daß das auf seiner lichtempfindlichen Oberseite einfallende Sonnenlicht möglichst lotrecht auftrifft.Known and already used to a significant extent are photovoltaic collectors. They are used for conversion the solar energy striking the surface of the earth in electrical energy. You benefit from the entire spectrum the area of the visible solar energy  Light between about 300. . . 700 nm, the exact Spectral range depends on the transducer base material used. Their efficiency is currently 10. . . 12%, 20% seem to be achievable in perspective. Your construction is very easy. Under a translucent The protective layer is on a flat support assembled and suitably connected solar cells. This flat collector will be more suitable Way so attached that on its photosensitive Sunlight incident on the top side is as perpendicular as possible.

Ebenfalls bekannt und genutzt sind thermische Kollektoren verschiedenster Konstruktionsprinzipien, einfache schwarzgestrichene, mit Wasser gefüllte Behältnisse oder auch komplizierte Kollektoren mit einem von einem Wärmeträgermedium durchflossenen Leitungssystem. Diese thermischen Kollektoren können zur Verminderung der prinzipbedingten Abstrahlungsverluste durch ein evakuiertes Gefäß (z. B. in DE 40 07 839) oder durch eine rückseitige thermische Schirmung geschützt sein. Thermische Kollektoren können durch einen geeigneten Aufbau auch für eine Unterdachmontage anwendbar sein oder sie können in herkömmliche Dachziegel integriert werden (so in DE 40 11 289 dargestellt). Allen thermischen Kollektoren gemeinsam ist die Nutzung des langwelligen Anteiles des Infrarotbereiches (<< 1000 nm).Thermal collectors are also known and used various construction principles, simple black-painted, containers filled with water or complicated collectors with one from a heat transfer medium flowed through pipe system. This thermal Collectors can reduce the principle Radiation losses through an evacuated vessel (e.g. in DE 40 07 839) or by a thermal back Shielding must be protected. Thermal collectors can due to a suitable construction also for sub-roof installation be applicable or they can be in conventional roof tiles be integrated (as shown in DE 40 11 289). The use is common to all thermal collectors the long-wave portion of the infrared range (<< 1000 nm).

Auch die Kombination beider Kollektorarten in einem Gehäuse ist bereits bekannt (siehe DE 39 23 821). Dabei ist die Anordnung so gewählt, daß aus der Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung betrachtet, der photovoltaische Kollektor hinter dem thermischen Kollektor angeordnet ist. Also the combination of both types of collectors in one Housing is already known (see DE 39 23 821). Here the arrangement is chosen so that from the direction of incidence the solar radiation, the photovoltaic Collector arranged behind the thermal collector is.  

Weiterhin bekannt ist der sich aus dem beschränkten Durchlaßbereich des häufig verwendeten Flachglases ergebende Treibhauseffekt, bei dem sichtbares Licht und ein Teil der daran anschließenden Spektralbereiche nahezu ungehindert durchgelassen werden (Durchlaßbereich des Flachglases etwa 250 . . . 2500 nm), während der langwellige Infrarotbereich zurückgehalten wird. Auch dieser Effekt wird bei geeignetem Kollektoraufbau bereits für thermische Kollektoren genutzt.It is also known from the limited Passband of the frequently used flat glass Greenhouse effect where visible light and a Part of the adjoining spectral ranges almost can be passed unhindered (passband of the Flat glass about 250. . . 2500 nm), while the long-wave Infrared range is retained. This too With a suitable collector structure, the effect is already effective for thermal collectors used.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades können bei thermischen Kollektoren Wärmeträgermedien eingesetzt werden, die Dissoziationsprozesse (DE 37 29 758) oder Quantenprozesse (DE 40 01 891) nutzen. Die zur Nutzung dieser Prozesse notwendigen Wärmeträgermedien bzw. Zusätze zu diesen bedingen u. U. eine Einfärbung des Wärmeträgermediums und damit die Absorption bestimmter Spektralbereiche.To improve efficiency, thermal Collectors are used as heat transfer media Dissociation processes (DE 37 29 758) or quantum processes (DE 40 01 891) use. The use of these processes necessary heat transfer media or additives to these condition u. U. a coloring of the heat transfer medium and thus the absorption of certain spectral ranges.

Allen Lösungen gemeinsam ist, daß sie entweder nur einzelne Spektralbereiche der einfallenden Sonnenenergie ausnutzen, oder nur für bestimmte Bauformen geeignet sind, oder ebenfalls wieder Energie abstrahlen, was zu einer Verminderung des Wirkungsgrades führt.All solutions have in common that they either only individual spectral ranges of the incident solar energy exploit, or are only suitable for certain designs, or also emit energy again, resulting in a Reduction in efficiency leads.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, durch eine neue Anordnung thermisch-photovoltaischer Kollektoren und die zielgerichtete Ausnutzung des Kombinationseffektes beider Kollektoren den Gesamtwirkungsgrad der Anlage so zu erhöhen, daß ihre Nutzung auch unter ungünstigen Strahlungsbedingungen ökonomisch sinnvoll wird.Based on this state of the art, it is the task of Invention, through a new arrangement of thermal-photovoltaic Collectors and the targeted exploitation of the Combination effect of both collectors the overall efficiency to increase the plant so that its use too economically sensible under unfavorable radiation conditions becomes.

Dazu müssen einerseits die bekannten technischen Lösungen in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden. Andererseits wird die Tatsache ausgenutzt, daß ein mit einer (Licht-)Strahlung beaufschlagter Körper einen Teil der aufgenommenen Energie wieder als langwellige Infrarotstrahlung abgibt. Dieser Prozeß wird zielgerichtet ausgenutzt.For this, on the one hand, the known technical solutions  be combined in a suitable manner. On the other hand takes advantage of the fact that one with a Part of the body exposed to (light) radiation absorbed energy again as long-wave infrared radiation delivers. This process is used in a targeted manner.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.An inventive solution to this problem is in claim 1 specified. Developments of the invention are characterized in the subclaims.

Der hocheffiziente Sonnenkollektor nutzt die Eigenstrahlung eines durch Strahlung angeregten Körpers (Stefan- Boltzmannsches Gesetz). Aus dem Strahlungsgesetz von Planck folgt, daß die Strahlungsleistung eines schwarzen Körpers stets eine Funktion von Wellenlänge und Temperatur ist. Im für einen Sonnenkollektor in Frage kommenden Arbeitstemperaturbereich zwischen etwa <0°C . . . 100°C handelt es sich stets um langwellige Infrarotstrahlung (<2500 nm), für die übliches Flachglas undurchlässig ist. Die Verwendung üblichen Flachglases vereinfacht die Konstruktion einer Thermofalle.The highly efficient solar collector uses the natural radiation of a body stimulated by radiation (Stefan- Boltzmann's law). From the radiation law of Planck follows that the radiant power of a black one Body always a function of wavelength and temperature is. In the working temperature range in question for a solar collector between about <0 ° C. . . 100 ° C it is always long-wave infrared radiation (<2500 nm), for which normal flat glass is impermeable. The use of standard flat glass simplifies the construction a thermal trap.

Zur Nutzung der Eigenstrahlung wird ein im Inneren des Sonnenkollektors eingebrachter schwarzer Körper, vorzugsweise der photovoltaische Kollektor mit geschwärzter Rückseite, allseitig zielgerichtet vom Wärmeträgermedium umflossen. Das erfordert einen speziellen, sandwichartigen Aufbau des thermischen Kollektors bei Einhaltung vorgegebener optischer Durchlaß- und Sperrbereiche für seine Konstruktionsteile.To use the natural radiation, an inside of the Solar panel black body, preferably the photovoltaic collector with blackened back, Targeted flow around on all sides by the heat transfer medium. That requires a special, sandwich-like Structure of the thermal collector if specified optical pass and blocking areas for its construction parts.

Dieser sandwichartige Aufbau ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet. In Strahlungsrichtung von außen nach innen trifft das Sonnenlicht zuerst auf eine als Flachkollektor bestehend aus mehreren, voneinander beabstandeten Schichten Flachglas, aufgebaute Thermofalle. Die Hohlräume bzw. Kammern zwischen den Flachglasschichten können evakuiert oder in anderer geeigneter Weise thermisch isoliert sein.This sandwich-like structure is characterized by the following features featured. In the radiation direction from outside to inside  the sunlight hits first as a flat collector consisting of several, spaced layers Flat glass, built-in thermal trap. The cavities or Chambers between the flat glass layers can be evacuated or be thermally insulated in another suitable manner.

An diese Thermofalle schließt sich ein erster thermischer Kollektor an, der aus jeweils zwei scheibenartigen Elementen aus Flachglas oder anderen geeigneten Materialien gebildet wird, die Fließkammern für den Durchlauf des Wärmeträgermediums einschließen. Diese Fließkammern, die mittels üblicher gasdichter Abstandshalter ausgebildet sind oder monolithisch die Abstandshalter bzw. Unterteilungen einschließen, können zur Erreichung der gewünschten Zirkulation des Wärmeträgermediums entsprechend unterteilt sein. Des weiteren sind Montage- und Anschlußstellen für das Wärmeträgermedium vorhanden.A first thermal trap follows this thermal trap Collector, each made of two disc-like elements made of flat glass or other suitable materials is formed, the flow chambers for the passage of the Include heat transfer medium. These flow chambers, the formed by means of conventional gas-tight spacers are or monolithic the spacers or subdivisions can include to achieve the desired Circulation of the heat transfer medium divided accordingly be. Furthermore there are assembly and connection points for the heat transfer medium is available.

Die Materialien für diesen ersten thermischen Kollektor sind so auszuwählen, daß sich die erforderlichen Durchlaß- und Sperrverhältnisse für die entsprechenden Spektralbereiche ergeben.The materials for this first thermal collector are to be selected so that the required passage and blocking ratios for the corresponding spectral ranges surrender.

Er kann statt aus scheibenartigen Elementen aus Flachglas in Verbindung mit Abstands- und Dichtungselementen auch zweiteilig aus beispielsweise im Spritzgußverfahren verarbeiteten Plastwerkstoffen bestehen, wobei die beiden Hälften die Abstandselemente bzw. Unterteilungen integrativ einschließen.It can be made of flat glass instead of disc-like elements in connection with spacer and sealing elements too in two parts, for example by injection molding processed plastic materials exist, the the spacers or subdivisions on both halves include integratively.

Auf dem ersten thermischen Kollektor liegt der photovoltaische Kollektor auf; bzw. an seiner Rückseite befindet sich ein thermischer Dunkelstrahler. Vorzugsweise ist die Rückseite des photovoltaischen Kollektors oder der sich anschließende zweite thermische Kollektor als thermischer Dunkelstrahler ausgeführt.The is on the first thermal collector photovoltaic collector on; or at his There is a thermal dark radiator on the back. Preferably, the back of the photovoltaic Collector or the subsequent second thermal  Collector designed as a thermal dark heater.

An den photovoltaischen Kollektor schließt sich ein zweiter thermischer Kollektor an, der analog dem ersten thermischen Kollektor aufgebaut ist. Daraus folgt, daß der photovoltaische Kollektor von zwei thermischen Kollektoren eingeschlossen wird, d. h. er wird vom Wärmeträgermedium umströmt.A second is connected to the photovoltaic collector thermal collector, which is analogous to the first thermal Collector is built. It follows that the photovoltaic collector of two thermal collectors is included, d. H. it is from the heat transfer medium flows around.

Die beiden das Wärmeträgermedium führenden Kammern können parallel oder in Reihe geschaltet betrieben werden, sie sind aber auch unabhängig voneinander nutzbar.The two chambers carrying the heat transfer medium can operated in parallel or in series, they but can also be used independently.

Nach innen abgeschlossen wird dieser Aufbau eines Sonnenkollektors von einer in bekannter Weise ausgeführten thermischen Isolierung.This construction of a solar collector is completed internally from a thermal design carried out in a known manner Insulation.

Natürlich kann in der vorstehender Weise aufgebaute Sonnenkollektor direkt oder indirekt betrieben werden.Of course, can be built in the above way Solar collector can be operated directly or indirectly.

Bei der Nutzung der Eigenkonvektion, d. h. der aufsteigenden Eigenbewegung einens Wärmeträgermediums bei Erwärmung, hängt die Stärke dieser Konvektionsbewegung von der Temperaturdifferenz zwischen Eintritts- und Austrittstemperatur des Wärmeträgermediums in den Sonnenkollektor und damit von dessen Eigentemperatur ab. Die Eigenkonvektion wird sowohl durch die von der auftreffenden Sonnenstrahlung herrührende äußere Erwärmung, als auch durch die von außen angeregte Eigenstrahlung des im Inneren des Sonnenkollektors befindlichen schwarzen Körpers gefördert.When using self-convection, i.e. H. the ascending Own movement of a heat transfer medium when heated, the strength of this convection movement depends on the temperature difference between inlet and outlet temperature of the heat transfer medium in the solar collector and thus from its own temperature. The self convection will both from the incident solar radiation resulting external warming, as well as from the outside stimulated natural radiation from inside the solar collector located black body promoted.

Die Nutzung der Eigenkonvektion wird weiter unterstützt, vorausgesetzt der sich an den Sonnenkollektor anschließende Kreislauf des Wärmeträgermediums läßt dieses zu, durch einen entsprechenden zirkulationsgerechten Aufbau der Kammern für das Wärmeträgermedium und eine sinnvolle Lage der Anschlußstellen für den Ein- und Austritt desselben.The use of self-convection is further supported, provided that the one connected to the solar collector Circulation of the heat transfer medium allows this through  a corresponding circulation-appropriate structure of Chambers for the heat transfer medium and a sensible location the connection points for the entry and exit of the same.

Eine hohe Selektivität des Wärmeträgermediums in Bezug auf hohe Lichtdurchlässigkeit (300 . . . 700 nm) bei gleichzeitig guten Absorptionsvermögen von Infrarotstrahlung (< 1000 nm) wird erreicht durch Nutzung von Silikonöl als Wärmeträgermedium und durch Beifügen eines geringen Zusatzes von geeigneten Substanzen (z. B. Graphitpartikel) in das an sich farblose Grundmedium Silikonöl. Silikonöl vereinigt gute Stabilität in einem weiten Temperaturbereich mit guten thermischen Eigenschaften.A high selectivity of the heat transfer medium with regard to high light transmission (300 ... 700 nm) at the same time good absorption capacity of infrared radiation (< 1000 nm) is achieved by using silicone oil as Heat transfer medium and by adding a small addition of suitable substances (e.g. graphite particles) in the colorless basic medium silicone oil. Silicone oil combines good stability in a wide temperature range with good thermal properties.

Die äußere Form der Sonnenkollektoren ist in der Weise ausgebildet, daß sie dachziegelartig übereinander und/oder flächig nebeneinander angeordnet sind.The outer shape of the solar panels is in the way trained that they like roof tiles on top of each other and / or are arranged side by side.

Dabei ist die Gestaltung so ausgeführt, daß sich einerseits die einzelnen Sonnenkollektoren gegenseitig geringfügig überlappen, wobei die vorderseitigen aktiven Flächen aneinander anschließen, und andererseits die Rückseite der Sonnenkollektoren derartig beschaffen ist, daß eine den üblichen Dachziegeln analoge Montage ermöglicht wird. Die Ein- und Auslaßstutzen für das Wärmeträgermedium der thermischen Kollektoren und die Anschlüsse der photovoltaischen Kollektoren liegen in einem festgefügten Raster, beispielsweise in zwei Reihen je Sonnenkollektor, sodaß es ermöglicht wird, mit Hilfe von dem Raster folgenden, vorgefertigten Anschluß- und Verbindungsstücken eine schnelle und den jeweiligen Gegebenheiten angepaßte Montage mehrerer Sonnenkollektoren zu erreichen.The design is designed so that on the one hand the individual solar panels slightly mutually overlap, with the front active areas connect to each other, and then the back of the Solar panels are such that one of them usual roof tiles analog installation is possible. The Inlet and outlet for the heat transfer medium of the thermal Collectors and the connections of the photovoltaic Collectors lie in a fixed grid, for example in two rows per solar panel, so that it is made possible with the help of the prefabricated grid following Connectors and connectors a quick and assembly adapted to the respective circumstances to reach several solar panels.

Systemeigene, besonders geformte Übergangs- und Hilfselemente, die auch aktive Flächen beinhalten können, unterstützen die Einbindung der hocheffektiven Sonnenkollektoren in vorhandene Dachgestühle bzw. in die üblichen Dacheindeckungen.Native, specially shaped transition and auxiliary elements, which can also include active areas  the integration of the highly effective solar collectors in existing roof chairs or in the usual roof coverings.

Das somit vorliegende Baukastensystem sichert bei Einfügen in eine vorhandene Dachhaut mit vorhandenem Dachgestühl einerseits den funktionsgerechten Übergang bzw. die funktionsgerechte Montage, andererseits sorgt es für eine Fortsetzung der Aufreihung, auch wenn der sich hinter den Sonnenkollektoren befindliche Dachstuhl an bestimmten Stellen keinen Einsatz der Sonnenkollektoren mit rückwärtigen Stutzen gestattet. Bei gesondertem Aufbau von hocheffektiven Sonnenkollektoren (also nicht als Bestandteil einer vorhandenen Dachhaut) sorgen die Übergangs- und Hilfselemente in Zusammenhang mit einem gerasterten Montagerahmen für einen definierten Abschluß der Überlappungszonen. Damit ist eine äußerst vielseitige Verwendung der Sonnenkollektoren bei guten Herstellungseigenschaften gewährleistet. (Serienherstellung weniger genormter Elemente bei gleichzeitig individueller Anwendung.)The modular system thus available secures when inserting into an existing roof skin with existing roof structure on the one hand the functional transition or the functional one Montage, on the other hand, it ensures a Continuation of the order, even if it is behind the Roof trusses on certain solar panels Make no use of solar panels with rear Trim permitted. With a separate structure of highly effective Solar panels (not as a component an existing roof skin) ensure the transition and Auxiliary elements in connection with a grid mounting frame for a defined closure of the overlap zones. This is an extremely versatile use of the Solar panels with good manufacturing properties guaranteed. (Series production of less standardized elements with individual use at the same time.)

Zur Gewährleistung der Regendichtheit des als Dacheindeckung verwendeten Baukastensystems von Sonnenkollektoren ist die Überlappungszone entsprechend gestaltet. Auskehlungen bzw. Einkerbungen in Snap-in-Technik, Dichtungselemente und Tropfkanten sichern ohne weitere Hilfsmittel die Dichtheit der als Dachhaut verwendeten Sonnenkollektoren gegenüber eindringender Feuchtigkeit.To ensure the rainproofness of the roof covering used modular system of solar panels the overlap zone is designed accordingly. Guts or notches using snap-in technology, sealing elements and drip edges secure the without further aids Tightness of the solar panels used as roof skin against penetrating moisture.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung kann den Patentansprüchen entnommen werden.The further embodiment of the invention can be removed.

Mit der Anwendung der Erfindung verbinden sich folgende wesentliche Vorteile. The following are associated with the application of the invention essential advantages.  

Die einfallende Sonnenenergie kann im Vergleich zu bekannten Anwendungen auch unter ungünstigeren Strahlungsbedingungen wirtschaftlich genutzt werden.The incident solar energy can be compared to known Applications even under less favorable radiation conditions be used economically.

Die Umwälzung des Wärmeträgermediums kann auf natürlichem Wege durch Ausnutzung der sich bei der Erwärmung verringernden dichte des Wärmeträgermediums vor sich gehen. Es bildet sich bei der vorgeschlagenen Gestaltung des Kollektors und seiner Einfügung in einen dazu geeigneten Kreislauf des Wärmeträgermediums ein Schwerkraftkreislauf heraus, bei dem die sich einstellende Strömungsgeschwindigkeit in direktem Zusammenhang mit dem Energieeintrag in den hocheffektiven Sonnenkollektor steht.The circulation of the heat transfer medium can be natural Paths by taking advantage of the diminishing in warming density of the heat transfer medium going on. It forms in the proposed design of the collector and its insertion into a suitable circuit a gravity cycle out of the heat transfer medium, at which the resulting flow velocity in direct connection with the energy input in the highly effective solar collector.

Der Sonnenkollektor kann durch Aufbau in Sandwichbauweise und Einsatz von gewöhnlichem Flachglas einfach und kostengünstig hergestellt werden.The solar collector can be constructed using a sandwich construction and use of ordinary flat glass easily and inexpensively getting produced.

Durch eine Fertigung im Baukastensystem ist eine Anpassung des gesamten Energiesammelsystems an viele unterschiedliche Gegebenheiten ohne Rückgriff auf Sonderkonstruktionen möglich.By manufacturing in a modular system is an adjustment of the entire energy collection system to many different ones Conditions without recourse to special constructions possible.

Dazu kommt die mögliche Funktionsverbindung des hocheffektiven Sonnenkollektors als Energiesammler mit der Dachhautfunktion.There is also the possible functional connection of the highly effective Solar collector as an energy collector with the roof skin function.

Die Erfindung soll nachfolgend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens an Ausführungsbeispielen beschrieben werden.The invention is intended below without limitation of general inventive idea of exemplary embodiments to be discribed.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigenShow in the accompanying drawings

Fig. 1 die schematische Schnittdarstellung des hocheffizienten Sonnenkollektors, Fig. 1 is a schematic sectional view of the highly efficient solar collector,

Fig. 2 die baukastengerechte Gestaltung eines Sonnenkollektorbausteins, Fig. 2, the modular-design of a solar collector module,

Fig. 3 die Gestaltung der Überlappungszone einer erfindungsgemäßen Sonnenkollektoranordnung im Einbauzustand. Fig. 3 shows the design of the overlap zone of a solar collector assembly according to the invention in the installed state.

Fig. 1 zeigt ein einzelnes, mit allen funktionellen Merkmalen eines hocheffektiven Sonnenkollektors ausgestattetes Element aus dem Baukastensystem. Fig. 1 shows a single, with all the functional features of a highly effective solar collector featured element of the modular system.

Der Aufbau wird nachfolgend von außen nach innen, quasi dem in den Sonnenkollektor einfallenden Lichtstrahlen folgend, beschrieben.The structure is subsequently from the outside in, so to speak the light rays incident in the solar collector described below.

Der Sonnenkollektor wird nach außen durch eine als Flachkollektor ausgeführte Thermofalle 1 abgeschlossen. Diese Thermofalle besteht aus zwei Kammern 10, die von drei Schichten Flachglas 1.1, 1.2, 2.1, beispielsweise einfaches Fensterglas, eingeschlossen sind. Die beiden Kammern 10 sind im Ausführungsbeispiel evakuiert und die Innenseite der Flachglaselemente 1.1 und 1.2 weisen als Reflexionsschicht 12 eine Innenverspiegelung auf.The solar collector is closed to the outside by a thermal trap 1 designed as a flat collector. This thermal trap consists of two chambers 10 , which are enclosed by three layers of flat glass 1.1 , 1.2 , 2.1 , for example simple window glass. In the exemplary embodiment, the two chambers 10 are evacuated and the inside of the flat glass elements 1.1 and 1.2 have an internal mirroring as the reflection layer 12 .

An diese Thermofalle schließt sich der eigentliche erste thermische Flachkollektor 2 an. Er besteht in gleicher Weise aus zwei die Fließkammern 11 in Einfallsrichtung begrenzenden Flachglaselementen 2.1 und 2.2 Abstandshalter 7, die in der Randsektion gleichzeitig die Funktion von Dichtungselementen übernehmen, gewährleisten die gewünschte Zirkulation des Wärmeträgers 6.The actual first thermal flat plate collector 2 is connected to this thermal trap. In the same way, it consists of two flat glass elements 2.1 and 2.2 , which delimit the flow chambers 11 in the direction of incidence, and spacers 7 , which at the same time assume the function of sealing elements in the edge section, ensure the desired circulation of the heat carrier 6 .

Der beispielsweise als polykristalline Silizium-Solarzelle ausgeführte photovoltaische Kollektor 3 schließt unmittelbar an die Begrenzungsscheibe 2.2 des ersten thermischen Kollektors 2 an. Die zu einem zweiten thermischen Kollektor 5 zugewandte Rückseite des photovoltaischen Kollektors 3 ist als thermischer Dunkelstrahler 4 ausgebildet. The photovoltaic collector 3 , for example in the form of a polycrystalline silicon solar cell, directly adjoins the limiting disk 2.2 of the first thermal collector 2 . The back of the photovoltaic collector 3 facing a second thermal collector 5 is designed as a thermal dark radiator 4 .

Der zweite thermische Kollektor 5 besteht analog zum ersten thermischen Kollektor aus zwei Flachglaselementen 5.1, 5.2, die mit der von den Abstandshaltern 7 vorgegebenen Distanz die zweite Fließkammer 11 bilden.Analogous to the first thermal collector, the second thermal collector 5 consists of two flat glass elements 5.1 , 5.2 , which form the second flow chamber 11 with the distance specified by the spacers 7 .

Die gesamte Sandwichanordnung des Sonnenkollektors wird von einem Rahmen aufgenommen und ist mittels mechanischen Arretierungen und Klebeverbindungen gefügt. Der Rahmen ist mit einer äußeren thermischen Isolierung 9 umkleidet. Die Zu- und Abführung des Wärmeträgermediums 6 in bzw. aus die/den Fließkammern der thermischen Kollektoren 2 und 5 erfolgt mittels Stutzen 8.The entire sandwich arrangement of the solar collector is held by a frame and is joined by means of mechanical locks and adhesive connections. The frame is covered with an external thermal insulation 9 . The heat transfer medium 6 is fed into and out of the flow chambers of the thermal collectors 2 and 5 by means of connecting pieces 8 .

Für einen derartig aufgebauten Sonnenkollektor ergibt sich folgender Funktionsablauf.This results in a solar collector constructed in this way following functional sequence.

Ein Sonnenkollektor nach Fig. 1 sei der die Atmosphäre durchdringenden Sonnenstrahlung so ausgesetzt, daß diese möglichst senkrecht auf den Sonnenkollektor auftrifft. Der sichtbare Teil des Sonnenlichtes durchdringt dabei nahezu ungehindert den aus mehreren Schichten 1.1, 1.2; 2.1 und 2.2 bestehenden äußeren Teil des Sonnenkollektors und trifft auf den photovoltaischen Kollektor 3 auf. In diesem werden etwa 10% des auf ihn auftreffenden Sonnenlichtes in bekannter Weise in elektrische Energie umgesetzt und können entnommen werden.A solar collector according to Fig. 1 is so exposed to the atmosphere penetrating solar radiation that it as vertically as possible to the solar collector. The visible part of sunlight penetrates almost unhindered from the multiple layers 1.1 , 1.2 ; 2.1 and 2.2 existing outer part of the solar collector and strikes the photovoltaic collector 3 . In this, about 10% of the sunlight striking it is converted into electrical energy in a known manner and can be removed.

In allen Elementen, die der Lichtstrahl durchlaufen hat, bevor er auf den photovoltaischen Kollektor trifft, wird entsprechend des Stefan-Boltzmannschen Gesetzes und des Strahlungsgesetzes von Planck die absorbierte Energie in Form langwelliger Infrarotstrahlung wieder emittiert. Das gilt auch für den photovoltaischen Kollektor 3, bei dem ein hoher Anteil der auf ihn auftreffenden Sonnenstrahlung absorbiert wird (ca. 90%). Seine Rückseite 4 ist aus diesem Grunde geschwärzt.In all elements that the light beam has passed through before it hits the photovoltaic collector, the absorbed energy is emitted again in the form of long-wave infrared radiation in accordance with Stefan-Boltzmann's law and Planck's law on radiation. This also applies to the photovoltaic collector 3 , in which a high proportion of the solar radiation striking it is absorbed (approx. 90%). For this reason, its rear side 4 is blackened.

Die Durchlaßeigenschaften von Flachglas verhindern eine Abstrahlung der im Inneren erzeugten langwelligen Infrarotstrahlung nach außen. Nur für die äußerste Glasscheibe 1.1 besteht diese Möglichkeit. Damit heizen sich die inneren Teile des Sonnenkollektors auf. Diese im Sonnenkollektor "gefangene" Energie kann in bekannter Weise in Form von Wärmeenergie durch das Wärmeträgermedium, das besonders zur Aufnahme der langwelligen Infrarotstrahlung geeignet ist, entnommen werden.The transmission properties of flat glass prevent the long-wave infrared radiation generated inside from being emitted to the outside. This possibility only exists for the outermost glass pane 1.1 . This heats up the inner parts of the solar collector. This "trapped" energy in the solar collector can be extracted in a known manner in the form of thermal energy through the heat transfer medium, which is particularly suitable for receiving the long-wave infrared radiation.

Zur Verminderung der Wärmeleitungsverluste ist der Sonnenkollektor rückwärtig und bedingt seitlich thermisch isoliert 9. Aus dem gleichen Grunde können die Hohlräume 10 zwischen der äußeren Flachglasanordnung (Thermofalle) evakuiert oder anderweitig mit schlechten Wärmeleitungseigenschaften ausgestattet und in bekannter Weise abgedichtet sein.To reduce heat conduction losses, the solar collector is at the rear and partially thermally insulated on the side 9 . For the same reason, the cavities 10 between the outer flat glass arrangement (thermal trap) can be evacuated or otherwise equipped with poor heat conduction properties and sealed in a known manner.

Wird ein Schwerkraftkreislauf des Wärmeträgermediums angestrebt, so sind die einzelnen Sonnenkollektoren so zu "verschalten", daß ein ungehindertes Aufsteigen des Wärmeträgermediums erreicht wird. Der Schwerkraftkreislauf setzt einen zu bekannten Schwerkraftheizungen analogen Aufbau des Kreislaufes voraus. Er hat den Vorteil der Einsparung der üblicherweise zur Aufrechterhaltung des Kreislaufes des Wärmeträgermediums notwendigen Zusatzenergie.If a gravity cycle of the heat transfer medium is sought, so are the individual solar panels too "interconnect" that an unimpeded rise of the heat transfer medium is achieved. The gravity cycle sets one analog to known gravity heaters Building the cycle ahead. He has the advantage of Saving the usually to maintain the Circulation of the heat transfer medium necessary additional energy.

Sowohl die elektrische, als auch die thermische Energie können in gewohnter Weise weiterverwendet werden.Both electrical and thermal energy can be used in the usual way.

In Fig. 2 ist die baukastengerechte äußere Gestaltung des Sonnenkollektors veranschaulicht. Die Darstellung 2.1 zeigt dabei die Außenseite der dachziegelartig übereinander und/oder nebeneinander plazierten Sonnenkollektorbausteine und die Darstellung 2.2 deren Rückseite.In FIG. 2, the modular design of the compliant outer solar collector is illustrated. The representation 2.1 shows the outside of the roof-top solar panels placed one above the other and / or next to each other and the representation 2.2 shows the rear.

Im Einbauzustand, s. auch Fig. 3, schließen die aktiven Sonnenkollektorflächen 20 aneinander an und liegen dabei auf den Überständen 21 des bzw. der jeweiligen Nachbarelemente auf.When installed, see also FIG. 3, the active solar collector 20 close to each other and lie on the supernatants of 21 of the or the respective neighboring elements.

Die beiden Schnittdarstellungen 2.3 und 2.4 zeigen noch einmal deutlich den eigentlichen aktiven Teil des Sonnenkollektor- Bauelements mit Lichteintrittsfläche 20 und den Montageteil 22 des Sonnenkollektors mit Dachauflagefläche 23.The two sectional representations 2.3 and 2.4 once again clearly show the actual active part of the solar collector component with light entry surface 20 and the mounting part 22 of the solar collector with roof support surface 23 .

Der Montageteil 22 übernimmt neben seiner Bestimmung als Montageelement die Funktion der thermischen Isolierung und des Schutzes des Sonnenkollektors.The mounting part 22 takes on the function of thermal insulation and protection of the solar panel in addition to its determination as a mounting element.

Zu erkennen sind weiterhin die Anschlußstellen 24 für den photovoltaischen Kollektor 3 und 25 für das Wärmeträgermedium 6 der thermischen Kollektoren 3 und 5.The connection points 24 for the photovoltaic collector 3 and 25 for the heat transfer medium 6 of the thermal collectors 3 and 5 can also be seen .

Fig. 3 zeigt über Fig. 2 hinaus einen Ausschnitt einer aus hocheffezienten Sonnenkollektoren bestehenden Dachhaut als Draufsicht und als Schnittdarstellung. In addition to FIG. 2, FIG. 3 shows a section of a roof skin consisting of highly efficient solar collectors as a top view and as a sectional illustration.

Die Einzelheit y verdeutlicht die Ausbildung einer Überlappungszone. Die Montageteile 22 zweier Kollektorbausteine rasten mittels Stabilisierungswulst 27 und Führungsnase 28 nach einer Snap-in-Technik ineinander ein. Ergänzt wird die Verbindung durch Dichtungselemente 29 und Tropfkante 30.The detail y illustrates the formation of an overlap zone. The mounting parts 22 of two collector modules snap into one another by means of a stabilizing bead 27 and a guide lug 28 using a snap-in technique. The connection is supplemented by sealing elements 29 and drip edge 30 .

Claims (14)

1. Hocheffizienter Sonnenkollektor unter Verwendung einer Kombination von photovoltaischen Kollektoren und thermischen Kollektoren, wobei die thermischen Kollektoren als Flachkollektoren mit Innenverspiegelung der Glasscheiben ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die photovoltaischen Kollektoren (3) in der Weise mit den thermischen Kollektoren (2, 5) gestapelt und damit quasi in Reihenschaltung übereinander angeordnet sind, daß ein im Inneren des Sonnenkollektors befindlicher schwarzer Körper (4) als thermischer Dunkelstrahler auf der Rückseite eines photovoltaischen Kollektors (3) so angeordnet ist, daß Dunkelstrahler (4) und photovoltaischer Kollektor (3) allseitig vom zielgerichtet bewegten Wärmeträgermedium (6) umschlossen sind und die äußere Form der Sonnenkollektoren so beschaffen ist, daß sie dachziegelartig übereinander und/oder flächig nebeneinander anordenbar sind.1. Highly efficient solar collector using a combination of photovoltaic collectors and thermal collectors, the thermal collectors being designed as flat collectors with internal mirroring of the glass panes, characterized in that the photovoltaic collectors ( 3 ) in the manner with the thermal collectors ( 2 , 5 ) stacked and thus arranged in series, so to speak, that a black body ( 4 ) located inside the solar collector is arranged as a thermal dark radiator on the back of a photovoltaic collector ( 3 ) so that the dark radiator ( 4 ) and photovoltaic collector ( 3 ) on all sides are surrounded by the purposefully moved heat transfer medium ( 6 ) and the outer shape of the solar collectors is such that they can be arranged one above the other and / or flat next to one another in the manner of roof tiles. 2. Hocheffizienter Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in Sonneneintrittsrichtung von außen nach innen folgende Schaltung und damit folgende Kammersysteme aufweist:
  • a) Thermofalle (1), bestehend aus mehreren Schichten Flachglas (1.1, 1.2, 2.1) oder anderen geeigneten Materials mit dazwischen befindlichen Hohlräumen bzw. Kammern (10),
  • b) ein erster thermischer Kollektor (2), bestehend aus jeweils zwei scheibenartigen Elementen (2.1, 2.2) aus Flachglas oder anderen geeigneten Materialien, gasdichten Abstandshaltern (7) bzw. Unterteilungen, die in der Fließkammer (11) die gewünschte Fließrichtung für das zirkulierende Wärmeträgermedium (6) bewirken sowie Montage- und Anschlußstellen für das Wärmeträgermedium,
  • c) photovoltaischer Kollektor (3) mit einem auf seiner Rückseite befindlichen thermischen Dunkelstrahler (4),
  • d) ein zweiter thermischer Kollektor (5), der analog b) aufgebaut ist,
  • e) Rahmen und thermische Isolierung (9).
2. Highly efficient solar collector according to claim 1, characterized in that it has the following circuit and thus the following chamber systems in the direction of sun entry from the outside in:
  • a) thermal trap ( 1 ) consisting of several layers of flat glass ( 1.1 , 1.2 , 2.1 ) or other suitable material with cavities or chambers ( 10 ) in between,
  • b) a first thermal collector ( 2 ), each consisting of two disc-like elements ( 2.1 , 2.2 ) made of flat glass or other suitable materials, gas-tight spacers ( 7 ) or subdivisions, which in the flow chamber ( 11 ) the desired flow direction for the circulating Cause heat transfer medium ( 6 ) and assembly and connection points for the heat transfer medium,
  • c) photovoltaic collector ( 3 ) with a thermal dark radiator ( 4 ) located on its rear,
  • d) a second thermal collector ( 5 ), which is constructed analogously to b),
  • e) frame and thermal insulation ( 9 ).
3. Hocheffizienter Sonnenkollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermofalle (1) mittels der Flachglaselemente (1.1, 1.2, 2.1) vorzugsweise zwei Kammern (10) bildet.3. Highly efficient solar collector according to claim 1 or 2, characterized in that the thermal trap ( 1 ) by means of the flat glass elements ( 1.1 , 1.2 , 2.1 ) preferably forms two chambers ( 10 ). 4. Hocheffizienter Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern (10) evakuiert oder mit einem thermisch isolierenden Gas gefüllt sind.4. Highly efficient solar collector according to one of claims 1 to 3, characterized in that the chambers ( 10 ) are evacuated or filled with a thermally insulating gas. 5. Hocheffizienter Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachglaselemente (1.1, 1.2) auf ihrer Innenseite jeweils zur Kammer (10) weisend eine metallische Reflexionsschicht (12) besitzen.5. Highly efficient solar collector according to one of claims 1 to 4, characterized in that the flat glass elements ( 1.1 , 1.2 ) each have a metallic reflection layer ( 12 ) on their inside facing the chamber ( 10 ). 6. Hocheffizienter Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterteilungen in den Fließkammern (11) und die damit im Zusammenhang stehenden Konstruktionsteile geometrisch so angeordnet sind, daß sie eine Eigenkonvektion des Wärmeträgermediums (6) gewährleisten.6. Highly efficient solar collector according to one of claims 1 to 5, characterized in that the subdivisions in the flow chambers ( 11 ) and the related structural parts are arranged geometrically so that they ensure self-convection of the heat transfer medium ( 6 ). 7. Hocheffizienter Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließkammern (11) zweiteilig aus beispielsweise im Spritzgußverfahren verarbeiteten Plastwerkstoffen ausgeführt sind, wobei die Kammerhälften die Abstandselemente (7) bzw. Unterteilungen monolithisch beinhalten.7. Highly efficient solar collector according to one of claims 1 to 6, characterized in that the flow chambers ( 11 ) are made in two parts from, for example, injection molded plastic materials, the chamber halves containing the spacer elements ( 7 ) or subdivisions monolithically. 8. Hocheffizienter Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite des photovoltaischen Kollektors (3) und/oder der hinter dem photovoltaischen Kollektor angeordnete thermische Kollektor (5) als thermischer Dunkelstrahler (4) ausgeführt ist.8. Highly efficient solar collector according to one of claims 1 to 7, characterized in that the rear of the photovoltaic collector ( 3 ) and / or the thermal collector ( 5 ) arranged behind the photovoltaic collector is designed as a thermal dark radiator ( 4 ). 9. Hocheffizienter Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden vor und hinter dem photovoltaischen Kollektor (3) angeordneten Kammern (11) für das Wärmeträgermedium (6) getrennt voneinander nutzbar sind.9. Highly efficient solar collector according to one of claims 1 to 8, characterized in that the two before and behind the photovoltaic collector ( 3 ) arranged chambers ( 11 ) for the heat transfer medium ( 6 ) can be used separately. 10. Hocheffizienter Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auslaßstutzen (8) für das Wärmeträgermedium (6) und die Anschlüsse der photovoltaischen Kollektoren montagefreundlich in einem festgefügten Raster, beispielsweise zwei Reihen je Sonnenkollektor, angeordnet sind, und daß ihre Verbindung mit vorgefertigten Anschluß- und Verbindungsstücken erfolgt. 10. Highly efficient solar collector according to one of claims 1 to 9, characterized in that the inlet and outlet ports ( 8 ) for the heat transfer medium ( 6 ) and the connections of the photovoltaic collectors are easy to assemble in a fixed grid, for example two rows per solar collector, are arranged , and that their connection is made with prefabricated connectors and connectors. 11. Hocheffizienter Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträgermedium Silikonöl unter Beifügung eines geringen Zusatzes geeigneter Substanzen, beispielsweise Graphitpartikel, einsetzbar ist.11. Highly efficient solar collector according to one of the claims 1 to 10, characterized in that silicone oil as the heat transfer medium with the addition of a small addition more suitable Substances, for example graphite particles, can be used is. 12. Hocheffizienter Sonnenkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur dachziegelartigen Montage der Sonnenkollektoren auf der Vorderseite die eigentlichen aktiven Sonnenkollektorflächen (20) aneinander anschließen, ihre Rückseiten jedoch Überstände (21) aufweisen, auf die die anzuschließenden Kollektorelemente bzw. am Ende der Kollektorfläche die Dachziegel in einer Überlappungszone (26) aufliegen.12. Highly efficient solar collector according to one of claims 1 to 11, characterized in that the actual active solar collector surfaces ( 20 ) connect to each other for roof tile-like installation of the solar collectors on the front, but their rear sides have protrusions ( 21 ) on which the collector elements to be connected or At the end of the collector surface, the roof tiles lie in an overlap zone ( 26 ). 13. Hocheffizienter Sonnenkollektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Übergangs- und Hilfselemente mit oder ohne aktive Sonnenkollektorflächen (20) zur Einbindung der hocheffektiven Sonnenkollektoren in das vorhandene Dachgestühl bzw. die Dacheindeckung vorhanden sind.13. Highly efficient solar collector according to claim 12, characterized in that transition and auxiliary elements with or without active solar collector surfaces ( 20 ) for integrating the highly effective solar collectors into the existing roof structure or roof covering are available. 14. Hocheffizienter Sonnenkollektor nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonnenkollektoren bzw. Übergangs- und Hilfselemente in der Überlappungszone (26) Auskehlungen, Einkerbungen (27, 28) zur Unterstützung des Verriegelungseffektes bzw. der Snap-in-Technik sowie Dichtungselemente (29) und Tropfkanten (30) aufweisen.14. Highly efficient solar collector according to claim 12 and 13, characterized in that the solar collectors or transition and auxiliary elements in the overlap zone ( 26 ) fillets, notches ( 27 , 28 ) to support the locking effect or the snap-in technology and sealing elements ( 29 ) and drip edges ( 30 ).
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