DE4436227A1 - Sonnenkollektor für die gleichzeitige Gewinnung thermischer und elektrischer Energie - Google Patents

Description

Solarzellen sind in der Regel nahezu "schwarz", d. h. sie absorbieren einen hohen Anteil des auftreffenden Sonnenlichtes. Über Schwärzungsgrade bis 96% wurde berichtet. Ein kleiner Teil des absorbierten Sonnenlichtes (technisch werden bis zu 16% erreicht, labormäßig 26% bei einschichtigen und 35% bei mehrschichtigen Solarzellen) wird in elektrische Energie umgewandelt, der wesentlich größere Energieanteil, nämlich der thermische, bleibt in der Regel ungenutzt.

Es ist daher naheliegend, Sonnenkollektoren so zu konzipieren, daß beide Energieanteile gleichzeitig nutzbar sind. Eine für diesen Zweck besonders geeignete Konstruktion ist in dem deutschen Patent P 27 39 797.3-13 beschrieben. Dabei handelt es sich um einen flachen Kollektor, dessen von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmter Absorberboden sonnen­ seitig glatt und mit konstantem Biegeradius konvex gewölbt ist, d. h. der Absorberboden kommt bei einer Länge von beispielsweise 2 m ca. 5 cm aus der Ebene heraus. Dieser Kol­ tortyp wird im folgenden als Konvex-Sonnenkollektor bezeichnet.

Über den gewölbten Absorberboden ist eine Folie gespannt, die Träger einer optisch wirk­ samen Schicht ist. Das kann eine Metallfolie sein mit schwarz-selektiver Beschichtung für die thermische Energieumwandlung oder eine Metallfolie mit Solarzellen für die gleich­ zeitige Nutzung beider Energieanteile. Der konvex geformte Absorberboden sorgt für die Anpressung der Folie und damit für den thermischen Kontakt zwischen der Folie und dem Absorberboden.

Der Vorteil dieser Konstruktion liegt darin, daß durch Auswechseln der Folie immer dem neuesten Stand der Technik entsprechend nachgerüstet werden kann, d. h. mit einem Materialaufwand von ca. 100 g/m² für die Folie ist derselbe Nutzen zu erreichen, wozu mit herkömmlicher Technik bis zu 50 000 g/m² erforderlich sind, nämlich für die Neuanschaf­ fung eines kompletten Sonnenkollektors. Der Konvex-Sonnenkollektor erfüllt somit die Forderung nach einer "nachhaltigen Wirtschaftsweise" sowohl unter energetischen als auch unter stofflichen Gesichtspunkten.

Konstruktionsbedingt besitzt der Konvex-Sonnenkollektor räumliche Tiefen, die zur Schattenbildung führen. Davon ist dieser Kollektortyp besonders betroffen, weil bei einem Abstand zwischen der Abdeckscheibe und dem höchsten Punkt des gewölbten Absorberbo­ dens von beispielsweise 3 cm und einer Höhe des Bogens von 5 cm, die schmalen Kanten des Absorberbodens 8 cm tief liegen. Die dadurch bedingte Leistungsminderung kann beim Konvex-Sonnenkollektor für die ausschließlich thermische Energieumwandlung einfach beseitigt werden durch eine Verspiegelung der Innenwand des Kollektorrahmens. Mit dieser Maßnahme wird der Absorberboden optisch an die Oberfläche gehoben.

Bei Solarzellen ist das Beschattungsproblem auf diese Weise nicht lösbar. Eine Solarzelle liefert eine Spannung von ca. 0,7 V. Um eine für die Nutzung geeignete Spannung zu erhalten (z. B. 14 V für Solarmodule zum Laden von Batterien), muß eine entsprechend große Zahl von Solarzellen in Reihe geschaltet werden.

Auch Parallelschaltungen sind üblich.

Werden Teile eines Solarzellenmoduls abgeschattet, muß man zwei Fälle betrachten:
Erstens:
Die Abschattung parallel geschalteter Teile führt zu einer Leistungsminderung entsprechend des abgeschatteten Flächenanteils. Die Spannung wird dabei nicht beeinflußt. Eine zusätzliche Wirkungsgradminderung wird durch einen Dunkelstrom (Kurzschluß) durch die abgeschatteten Solarzellen hervorgerufen. Dieser Verlust ist jedoch wegen des hohen Kurzschlußwiderstandes der Solarzellen gering.

Zweitens:
Die Auswirkung einer teilweisen Beschattung in Reihe geschalteter Solarzellen soll an einem Beispiel erläutert werden: Dazu stelle man sich drei in Reihe geschaltete, hintereinander liegende Solarzellen vor. Bei ganzflächiger Besonnung liefert jede Solarzelle eine Spannung von 0,7 V und daher die drei Solarzellen eine Spannung von 2,1 V. Wird nun die mittlere Solarzelle vollkommen abgedunkelt, stellt diese einen hohen Widerstand dar, d. h. der Stromfluß wird gänzlich unterbrochen. Um diese Unterbrechung zu verhindern, werden die einzelnen Solarzellen mit Dioden überbrückt (Bypaßdiode), so daß der Solarstrom parallel zur ausgefallenen Solarzelle strömen kann. Im geschilderten Beispiel fällt die Spannung jedoch von 2,1 auf 1,4 V. Das kann in der Praxis dazu führen, daß beispielsweise solare Batterieladegeräte nicht mehr laden können, weil die Spannung unter die erforderliche Ladespannung fällt.

Die Beschattung durch Bäume, Antennen usw. kann der Betreiber von Solarzellen vermei­ den, nicht jedoch die Beschattung durch einen herkömmlichen Kollektorrahmen.

Die Erfindungsaufgabe besteht daher darin, einen Konvex-Sonnenkollektor so zu konstru­ ieren, daß weder horizontale (Sonnenhöhe) noch azimutale (Himmelsrichtung) Änderungen des Einstrahlungswinkels der Sonne zu leistungsmindernden Abschattungen führen. Das wird durch zwei Maßnahmen erreicht: Die horizontale Schattenbildung wird vermieden, indem die horizontalen Rahmenteile auf der Innenseite so abgeschrägt werden, daß bei höchstem und niedrigstem jahreszeitlichen Sonnenstand keine horizontale Abschattung entstehen kann. Die azimutale Abschattung wird verhindert, indem die vertikalen Rahmenteile transparent ausgeführt werden. Diese Forderung ist nur dann leicht erfüllbar, wenn die Abdeckung aus transparenter Kunststoffolie besteht. Auch ist es für die erfindungsgemäße Ausführung von Vorteil, nicht einzelne Kollektoren herzustellen, sondern mehrere Kollektorsegmente zu einer größeren Einheit zusammenzufassen.

Ein Beispiel der Erfindung ist in den folgenden Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Querschnitt durch ein Segment eines Konvex-Sonnenkollektors.

Fig. 2 Perspektivische Ansicht einer Konvex-Kollektoreinheit mit vier Segmenten.

Fig. 3 Schnitt A-A durch ein am westlichen Rand liegendes Kollektorsegment.

Fig. 4 Schnitt B - B durch den oben liegenden Rahmen.

Nach Fig. 1 besteht ein Kollektorsegment aus einem konvex gewölbten, von einer Wärme­ trägerflüssigkeit durchströmten Absorberboden 1, über den eine Folie 2 gespannt ist, die mit einer schwarz-selektiv absorbierenden Schicht oder mit Solarzellen belegt ist. Die Folie 2 ist mittels eines Spannmechanismus 3 über den Absorberboden 1 gespannt und ist auswechsel­ bar. Eingezeichnet sind weiter die horizontalen Rahmenteile 4, die transparente Abdeckung 5 und die unter dem Absorberboden 1 liegende Wärmedämmung 6.

Fig. 2 zeigt eine Konvex-Sonnenkollektoranlage, bestehend aus vier Segmenten nach Fig. 1. Außer den horizontalen Rahmen 4 sind die vertikalen Rahmen 7 erkennbar.

Nach Fig. 3 bestehen die vertikalen Rahmen 7 aus hochtransparentem Material, wie beispielsweise Acrylglas oder Polycarbonat. Dabei bilden die inneren Rahmen 7 lediglich Stützen für die übergespannte Kunststoffolie 5. Der Rahmen 7 hat eine konvex geformte obere Kante 8, damit die Kunststoffolie 5 unter Spannung gehalten wird, so daß ein Flattern der Folie bei starkem Wind vermieden wird. Die obere Kante 8 des Rahmens 7 ist poliert, damit das Licht ungestreut hindurchfallen kann.

Die äußeren, vertikalen Rahmen 7, in Fig. 3 ist der westliche Rahmen 7 dargestellt, beste­ hen ebenfalls aus einem transparenten Kunststoff. Die Kunststoffolie 5 wird soweit nach unten gezogen, daß keine Schattenbildung auftritt. Zur Spannung der Kunststoffolie 5 ist diese am Ende zu einer Schleife gelegt und geschweißt, so daß ein Rohr 9 aus Metall, Glas o. a. eingelegt werden kann, das mittels Spiralfedern 10 unter einer Zugspannung gehalten wird. Das Rohr 9 liegt am Rahmen an, damit ein wärmedämmender, geschlossener Luftraum 11 zwischen dem vertikalen Rahmen 7 und der Kunststoffolie 5 entsteht.

Der gegenüber herkömmlichen Kollektoren etwas höhere Wärmeverlust an den west- und östlichen vertikalen Rahmen 7 kann toleriert werden, weil andererseits ein Wärmeverlust zwischen den einzelnen Segmenten nicht auftritt.

Es ist auch möglich, die innerhalb des Kollektors liegenden Rahmen 7 nicht mit dem unteren Kollektorkörper zu verbinden, so wie es in der Fig. 3 dargestellt ist, sondern diese bogen­ förmig auszuführen. Diese Bögen überspannen die Absorberböden 1 brückenartig und sind nur im oberen und unteren Rahmen 4 befestigt. In diesem Fall entsteht unter der Kante 8 eine zweite Kante, die zweckmäßigerweise ebenfalls poliert ist.

Günstig ist es, wenn Reihenschaltungen der Solarzellen immer in vertikaler Richtung erfolgen, Parallelschaltungen dagegen vorzugsweise in horizontaler Richtung.

Nach Fig. 4 ist der horizontale Rahmen 4 nicht transparent. Die Innenseite 12 ist unter einem solchen Winkel abgeschrägt, daß das Sonnenlicht bei jedem vorkommenden horizon­ talen Sonnenstand auf die Solarzellen trifft. Exakt ist das nicht für jede Tagesstunde erreichbar. Das ist auch nicht erforderlich, weil die Einstrahlungswinkel nach Sonnenaufgang so ungünstig sind, daß keine nennenswerte Leistung auf die Solarzellen trifft.

Der Rahmen 4 besitzt eine Ausnehmung für den Spannmechanismus 3, der hier nur angedeutet ist. Die Ausnehmung wird mittels eines verspiegelten Bleches 13 o. ä. abgedeckt. Der Winkel 14 der Innenseite 12 des Rahmens 4 kann aus dem Besonnungsdiagramm des Aufstellungsortes und dem Aufstellwinkel des Kollektors ermittelt werden.

Es ist für den jährlichen Energieertrag besonders günstig, den Kollektor unter einem Winkel aufzustellen, der dem Breitengrad des Aufstellungsortes entspricht. In diesem Fall muß für den Winkel 14 etwa 25° gewählt werden.

Claims (5)

1. Sonnenkollektor für die thermische oder gleichzeitige thermische und elektrische Energieumwandlung, mit einem konvex gewölbten Absorberboden (1), über den eine Folie (2), vorzugsweise aus Metall, gespannt ist, die mit einer Schicht versehen ist, welche eine Umwandlung von Sonnenenergie in thermische oder thermische und elektrische Energie ermöglicht, der als Einzelkollektor hergestellt werden kann, vorzugsweise jedoch aus mehreren Kollektorsegmenten zusammengesetzt ist und der mit einer hochtransparenten Kunststoffolie (5) abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Absorberböden (1) bzw. Kollektorsegmenten befindlichen Rahmen (7) aus einem hochtransparenten Material bestehen.

2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Rahmen (7) aus einem hochtransparenten Material bestehen und die Folienab­ deckung (5) so über die Kante (8) gezogen wird, daß schattenbildende Teile wie beispielsweise das Rohr (9) unter der Kante des Absorberbodens (1) liegen.

3. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmen (7) eine äußere konvexe Krümmung aufweisen, wobei der äußere Rand (8) poliert ist.

4. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transparenten Rahmen (7) keine Verbindung zum Unterbau des Kollektors haben, sondern bogenförmig die Absorberböden (1) überspannen und an den oberen und unteren Rahmen (4) befestigt sind.

5. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontalen Rahmen (4) mit der Ebene des Absorberbodens (1) Winkel (14) bilden, deren Wert mindestens der halben mittäglichen Sonnenstandsänderung zwischen der maximalen Sonnenhöhe (21. Juni) und der minimalen Sonnenhöhe (22. Dezember) entsprechen soll.