ES2385596A1 - Método de producción de electricidad y agua caliente sanitaria. - Google Patents

Método de producción de electricidad y agua caliente sanitaria. Download PDF

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ES2385596A1 ES201001642A ES201001642A ES2385596A1 ES 2385596 A1 ES2385596 A1 ES 2385596A1 ES 201001642 A ES201001642 A ES 201001642A ES 201001642 A ES201001642 A ES 201001642A ES 2385596 A1 ES2385596 A1 ES 2385596A1
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Abstract

Método de producción de electricidad y agua caliente sanitaria.La presente invención se refiere a un método mediante el que se mejora la producción eléctrica de paneles fotovoltaicos y se mejora la producción de los paneles térmicos solares para la producción de agua caliente o se reduce el consumo de otros equipos para calentar agua. Estas mejoras se realizan gracias a que el agua proveniente de la red refrigera los paneles fotovoltaicos, de forma que se obtiene una mayor potencia eléctrica, al trabajar éstos a una temperatura mucho menor a la que lo harían sin refrigeración. Además, el agua precalentada que se obtiene con una temperatura algo más elevada que la de la red, va a un sistema de producción de agua caliente, de forma que se incrementa la producción de agua caliente o se reduce el consumo del mismo.

Description

Método de producción de electricidad y agua caliente sanitaria
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se engloba dentro del sector de la energía solar, concretamente del uso de la energía solar para producción de electricidad y agua caliente sanitaria.
OBJETO DE LA INVENCIÓN
Para la producción de electricidad de origen solar se utilizan paneles fotovoltaicos. Estos paneles tienen un rendimiento menor cuanto mayor es su temperatura de trabajo.
Para la producción de agua caliente sanitaria, en el caso de utilizar energía solar, se utilizan paneles térmicos. La producción de estos paneles depende de la temperatura de entrada del agua desde la red, siendo la producción menor cuanto menor es la temperatura de entrada del agua. En el caso de utilizar otro tipo de sistema para el calentamiento de agua, como calderas de gas, calentadores eléctricos, etc., el consumo de energía de éstos depende de la cantidad de agua necesaria y del incremento de temperatura, es decir, temperatura de salida menos temperatura de entrada.
También existen paneles híbridos (fotovoltaicos y térmicos, donde las células fotovoltaicas y el dispositivo que calienta el agua están superpuestos en el mismo equipo) que producen agua caliente sanitaria y electricidad, de forma que el agua refrigera el panel fotovoltaico. La temperatura del agua caliente sanitaria debe ser en torno a 50 ºC, por lo que, para ceder calor al agua, los paneles tienen que trabajar una temperatura superior, del orden de 60 ºC, con lo que no se mejora prácticamente su rendimiento y la producción de energía eléctrica, ya que la temperatura de trabajo sin refrigeración es aproximadamente de 70 ºC.
La presente invención propone un método en el que en el agua caliente sanitaria se calienta en varias etapas, aumentando el caudal producido, o reduciendo el consumo de energía, dependiendo de si se utilizan paneles solares térmicos u otro tipo de dispositivos. Para ello, en la primera o primeras etapas el agua fría proveniente de la red de suministro se precalienta en los paneles fotovoltaicos, de forma que éstos ceden calor al agua y trabajan a una menor temperatura, aumentando su rendimiento y produciendo por tanto mayor energía eléctrica.
Posteriormente el agua precalentada se envía a los colectores solares térmicos, o a cualquier otro sistema utilizado para calentar el agua, de forma que el incremento térmico que se debe obtener con el agua precalentada es menor que si ésta procediera de la red directamente. Por tanto, se puede producir más caudal de agua caliente con la misma radiación solar, en el caso de los paneles térmicos, o reducir el consumo energético de cualquier otro sistema de calentamiento de agua utilizado.
Así, la presente invención aporta las siguientes soluciones técnicas:
1: Reduce la elevada temperatura de los paneles fotovoltaicos. De esta manera se obtiene mayor energía eléctrica al bajar la temperatura de operación.
2: Aumenta la temperatura del agua de entrada a los paneles térmicos solares. Utilizando agua precalentada, se obtiene una mayor producción de agua caliente, al reducirse el incremento de temperatura del agua que se debe realizar en los colectores solares térmicos.
3: Aumenta la temperatura del agua de entrada al sistema de calentamiento de agua (caldera de gas, calentador eléctrico, etc.). Utilizando agua precalentada, se reduce el consumo de energía del sistema de calentamiento que se utilice en la última o últimas etapas. Esto es debido a que al reducirse el incremento de temperatura del agua que se debe realizar, el consumo de energía se reduce en la misma proporción.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Para resolver los problemas mencionados anteriormente, en el estado de la técnica existen varias patentes sobre paneles híbridos que se relacionan a continuación:
La patente de invención ES2118147 titulada “Dispositivo fotovoltaico y método para la producción del mismo”, describe un dispositivo fotovoltaico con un alto rendimiento de conversión, alta fiabilidad y satisfactoria capacidad para su fabricación en masa.
La patente de invención ES2325898A1 titulada “Panel solar fotovoltaico de doble efecto” se refiere a un panel solar fotovoltaico de doble efecto cuyas características estructurales posibilitan que cumpla la doble función de producir energía eléctrica y actuar como colector solar para producir agua caliente sanitaria y/o incrementar la temperatura de cualquier fluido calor-portante, para iniciar, finalizar y/o aplicar a cualquier proceso productivo.
La patente de invención ES2303456A1 titulada “Panel solar híbrido fotovoltaico/térmico con incremento de eficiencia en sistema fotovoltaico” se refiere a un panel híbrido para obtener energía fotovoltaica y agua caliente simultáneamente, caracterizado por integrar en un mismo dispositivo un panel fotovoltaico o células fotovoltaicas y el captador de energía térmica formado por un absorbedor compuesto por una chapa de material con buena conductividad térmica y un serpentín, que al ser recorrido por un fluido calor-portante, provoca un intercambio de calor disminuyendo la temperatura en las células fotovoltaicas.
La patente de invención FR2882426-A1 titulada “Photovoltaic and themal hybrid solar collector chamber`s caisson for
e.g. superstore, has plates provided on both sides of frame having U-shaped profile and water supply conduit emerging in solar collector via orifice provided in profile” utiliza una cámara que cubre las celdas fotovoltaicas para transformar la energía solar en energía térmica para producir agua caliente sanitaria.
La patente de invención DE202005019024-U1 titulada “Hybrid solar collector for water heating and electric current generation, with photovoltaic module centrally located on hybrid collector” presenta un generador fotovoltaico rodeado de tubos que aprovechan el calor disipado en dicho generador para la óptima utilización de la radiación solar.
Todas estas patentes son dispositivos que operan en un mismo panel híbrido, utilizando la radiación solar para obtener a la vez energía eléctrica y agua caliente sanitaria.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El método objeto de la presente invención pretende mejorar la producción eléctrica y la producción de agua caliente realizando el calentamiento del agua en varias etapas, combinando paneles fotovoltaicos y térmicos separados y conectados en serie. Así se consigue simultáneamente agua caliente sanitaria en las condiciones deseadas (en los paneles térmicos) y energía eléctrica (en los fotovoltaicos) con mayor potencia. También el método es aplicable en el caso de utilizar cualquier dispositivo de calentamiento de agua, como puede ser una caldera de gas o un calentador eléctrico. En este caso se reduce el consumo de estos equipos, al utilizar agua precalentada en los paneles fotovoltaicos, en lugar de utilizar agua directamente de la red de alimentación.
En la primera o las primeras etapas el agua fría proveniente de la red de suministro se precalienta en los paneles fotovoltaicos, que a su vez se refrigeran, para lo cual se utiliza un cambiador de calor instalado en dichos paneles. En estas primeras etapas se logra refrigerar los paneles solares fotovoltaicos a temperaturas en torno a 25 ºC, muy inferiores a las que se alcanzan en los paneles híbridos actuales. De esta forma incrementan notablemente su rendimiento y potencia instantánea.
Posteriormente, en la etapa o etapas siguientes, se alcanza la temperatura final del agua. Para ello se utiliza un sistema térmico de producción de agua caliente, bien sean paneles solares o cualquier otro dispositivo para calentar agua, como una caldera de gas, un calentador eléctrico, etc. En el caso de utilizar paneles solares térmicos, al recibir el agua precalentada por los paneles fotovoltaicos, aumenta la capacidad de producción de agua caliente a la temperatura necesaria, de aproximadamente 50 ºC. En el caso de utilizar otro tipo de dispositivos, se reduce el consumo energético de éstos, ya que el consumo de estos sistemas es proporcional al incremento de temperatura que deben producir.
De este modo, al calentar en varias etapas, se mejoran los rendimientos de los paneles fotovoltaicos y del sistema térmico, aumentando la producción de energía eléctrica y la producción de agua caliente. En el caso de utilizar un sistema de calentamiento de agua no solar, como una caldera de gas o un calentador eléctrico, se reduce el consumo del mismo.
la etapa de precalentamiento del agua puede sustituirse por varias etapas sucesivas, con los paneles fotovoltaicos conectados en serie, y la etapa de calentamiento final del agua puede sustituirse por varias etapas sucesivas, con los sistemas térmicos de producción de agua caliente conectados en serie.
En el caso de los paneles térmicos, el rendimiento f depende directamente de la temperatura de entrada del agua al colector te, y de la temperatura ambiente ta según la siguiente expresión:
donde G es la radiación solar sobre el plano del colector y los parámetros k1, k2 y f0 son específicos para cada colector.
Cuanto más fría está el agua de entrada mayor es la eficiencia del colector, ya que la temperatura media es menor. Sin embargo, se va a obtener un menor caudal de agua caliente, ya que hay que aumentar mucho más la temperatura del agua para llegar a los 50 ºC. Por tanto, al precalentar el agua de entrada, el panel baja ligeramente su rendimiento.
Sin embargo, el caudal de agua caliente que se puede producir a la temperatura final deseada aumenta, ya que el incremento de temperatura �T (diferencia entre la temperatura de entrada y la de salida) ahora es menor. El caudal m se puede expresar según la siguiente expresión:
donde A es el área del panel, G la radiación solar y Cf el calor específico del agua.
En el caso de utilizar otros sistemas de calentamiento de agua, como una caldera de gas o un calentador eléctrico, el consumo energético se reduce en la misma proporción que se reduce el incremento de temperatura �T:
donde P es la potencia útil que recibe el agua y que es la demandada por el sistema de calentamiento.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
A fin de comprender completamente el objeto de la presente invención, se incorporan unas figuras que se describen a
continuación: Figura 1. Muestra la característica de la curva corriente tensión V-I de un panel fotovoltaico para diferentes temperaturas de operación para una determinada radiación.
Figura 2. Muestra el rendimiento de un sistema térmico de producción de agua caliente en función de la temperatura de entrada del agua te, la temperatura ambiente ta y la radiación solar G. Figura 3. Muestra el diagrama de un sistema fotovoltaico para producción de electricidad.
1 Panel fotovoltaico
2 Convertidor electrónico DC a AC (inversor)
3 Conexión con la red eléctrica Figura 4. Muestra el diagrama de un sistema térmico solar para producción de agua caliente sanitaria.
4 Colector solar
5 Depósito
6 Entrada de agua fría de la red
7 Salida de agua caliente Figura 5. Muestra una realización preferente de la presente invención en la que se han utilizando un panel fotovoltaico y un panel térmico solar.
8 Cambiador de calor adosado al panel fotovoltaico Figura 6. Muestra una realización preferente de la presente invención en la que se han utilizando un panel fotovoltaico y un calentador eléctrico de agua.
9 Calentador eléctrico de agua Figura 7. Muestra una realización preferente de la presente invención en la que se han utilizando dos paneles fotovoltaicos donde se precalienta el agua en dos etapas y un panel térmico solar donde se alcanza la temperatura final del agua. REALIZACIONES PREFERENTES DE LA INVENCIÓN
A continuación se hace una descripción completa de tres realizaciones preferentes del método, las cuales se harán a título de ejemplo, con carácter no limitativo y susceptibles de todas aquellas modificaciones de detalle que no alteren fundamentalmente sus características esenciales.
Paneles fotovoltaicos y paneles térmicos solares
El método objeto de esta invención consiste en obtener agua caliente sanitaria a una temperatura aproximada de 50 ºC a partir de dos etapas de calentamiento, como se esquematiza en la Figura 5. La primera etapa se encuentra en el panel solar fotovoltaico refrigerado por el agua procedente de la red de suministro. Este panel dispone de un cambiador de calor. Los cambiadores de calor que se instalan en los paneles fotovoltaicos pueden ser de cualquier tipo, como por ejemplo una chapa de aluminio con un serpentín.
Por el cambiador de calor circula agua a una temperatura baja (entre 15 y 20 ºC) proveniente de la red. Con agua a esta temperatura se refrigeran los paneles fotovoltaicos a 25 ºC aproximadamente, desde los 70 ºC aproximadamente que tienen cuando no están refrigerados. Esta disminución de temperatura puede suponer un incremento de la potencia eléctrica de un 30%, de acuerdo con los resultados obtenidos en los ensayos realizados en laboratorio.
Adicionalmente se obtiene un caudal de agua precalentada con un incremento de temperatura en torno a 5 ºC. Esta agua precalentada se hace circular posteriormente por paneles solares hasta alcanzar la temperatura final. El hecho que el agua entre precalentada supone una pérdida del rendimiento del sistema térmico solar de producción de agua caliente en torno al 2%. Sin embargo, el caudal de agua caliente que puede producir es aproximadamente un 15% superior, ya que el incremento de temperatura que se debe obtener en el panel térmico es un 16,6% inferior.
Para una temperatura de agua de la red de 20 ºC, sin este método hay que calentar desde 20 ºC hasta 50 ºC, lo que supone un calentamiento de 30 ºC. Con este método, hay que calentar desde 25 ºC hasta 50 ºC, lo que supone un calentamiento de 25 ºC, un 16,6% inferior.
Paneles fotovoltaicos y un calentador eléctrico
El método objeto de esta invención consiste en obtener agua caliente sanitaria a una temperatura aproximada de 50 ºC a partir de dos etapas de calentamiento, como se esquematiza en la Figura 6. La primera etapa se encuentra en el panel solar fotovoltaico refrigerado por el agua procedente de la red de suministro. Este panel dispone de un cambiador de calor en su cara posterior. Los cambiadores de calor que se instalan en los paneles fotovoltaicos pueden ser de cualquier tipo, como por ejemplo una chapa de aluminio con un serpentín.
Por el cambiador de calor circula agua a una temperatura baja (entre 15 y 20 ºC) proveniente de la red. Con agua a esta temperatura se refrigeran los paneles fotovoltaicos a 25 ºC aproximadamente, desde los 70 ºC aproximadamente que tienen cuando no están refrigerados. Esta disminución de temperatura puede suponer un incremento de la potencia eléctrica de un 30%, de acuerdo con los resultados obtenidos en los ensayos realizados en laboratorio.
Adicionalmente se obtiene un caudal de agua precalentada con un incremento de temperatura en torno a 5 ºC. Esta agua precalentada se hace circular posteriormente por un calentador eléctrico hasta alcanzar la temperatura final. El hecho que el agua entre precalentada supone un ahorro de energía.
Para una temperatura de agua de la red de 20 ºC, sin este método hay que calentar desde 20 ºC hasta 50 ºC, lo que supone un calentamiento de 30 ºC. Con este método, hay que calentar desde 25 ºC hasta 50 ºC, lo que supone un calentamiento de 25 ºC, un 16,6% inferior. Por tanto, se obtiene un ahorro energético del mismo orden.
Dos etapas de paneles fotovoltaicos y paneles térmicos solares
El método objeto de esta invención consiste en obtener agua caliente sanitaria a una temperatura aproximada de 50 ºC a partir de tres etapas de calentamiento, como se esquematiza en la Figura 7. Las dos primeras etapas constan de paneles solares fotovoltaicos refrigerados por el agua. La primera etapa utiliza el agua procedente de la red de suministro. La segunda etapa utiliza el agua procedente de la primera. Los paneles disponen de cambiadores de calor. Los cambiadores de calor que se instalan en los paneles fotovoltaicos pueden ser de cualquier tipo, como por ejemplo una chapa de aluminio con un serpentín.
En la primera etapa, por el cambiador de calor circula agua a una temperatura baja (entre 15 y 20 ºC) proveniente de la red. Con agua a esta temperatura se refrigeran los paneles fotovoltaicos a 25 ºC aproximadamente, desde los 70 ºC aproximadamente que tienen cuando no están refrigerados. Esta disminución de temperatura puede suponer un incremento de la potencia eléctrica de un 30%, de acuerdo con los resultados obtenidos en los ensayos realizados en laboratorio.
En la segunda etapa, por el cambiador de calor circula agua precalentada en la primera etapa a una temperatura de entre 20 y 25 ºC. Con agua a esta temperatura se refrigeran los paneles fotovoltaicos a 30 ºC aproximadamente, desde los 70 ºC aproximadamente que tienen cuando no están refrigerados. Esta disminución de temperatura puede suponer un incremento de la potencia eléctrica de un 25%, de acuerdo con los resultados obtenidos en los ensayos realizados en laboratorio.
Se obtiene un caudal de agua precalentada con un incremento de temperatura en torno a 10 ºC. Esta agua precalentada se hace circular posteriormente por paneles solares hasta alcanzar la temperatura final. El hecho que el agua entre precalentada supone una pérdida del rendimiento del sistema térmico solar de producción de agua caliente en torno al 4%. Sin embargo, el caudal de agua caliente que puede producir es aproximadamente un 28% superior, ya que el incremento de temperatura que se debe obtener en el panel térmico es un 33% inferior.
Para una temperatura de agua de la red de 20 ºC, sin este método hay que calentar desde 20 ºC hasta 50 ºC, lo que supone un calentamiento de 30 ºC. Con este método, hay que calentar desde 30 ºC hasta 50 ºC, lo que supone un calentamiento de 20 ºC, un 33% inferior.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Método de producción de electricidad y agua caliente sanitaria caracterizado porque consta de las siguientes etapas:
    • Una etapa de precalentamiento del agua proveniente de la red de suministro en paneles fotovoltaicos, que a su vez se refrigeran.
    5 • Una etapa de calentamiento final del agua hasta la temperatura final requerida.
  2. 2. Método de producción de electricidad y agua caliente sanitaria según reivindicación 1 caracterizado porque en los paneles fotovoltaicos se instala un cambiador de calor en la cara posterior de los mismos que precalienta el agua y los refrigera.
  3. 3. Método de producción de electricidad y agua caliente sanitaria según reivindicación 1 caracterizado porque en la 10 etapa de calentamiento final del agua se utilizan paneles solares térmicos.
  4. 4.
    Método de producción de electricidad y agua caliente sanitaria según reivindicación 1 caracterizado porque en la etapa de calentamiento final del agua se utilizan otros dispositivos para calentar agua, como una caldera de gas, un calentador eléctrico, etc.
  5. 5.
    Método de producción de electricidad y agua caliente sanitaria según reivindicación 1 caracterizado porque la etapa
    15 de precalentamiento del agua puede sustituirse por varias etapas sucesivas, con los paneles fotovoltaicos conectados en serie.
  6. 6. Método de producción de electricidad y agua caliente sanitaria según reivindicación 1 caracterizado porque la etapa de calentamiento final del agua puede sustituirse por varias etapas sucesivas, con los sistemas térmicos de producción de agua caliente conectados en serie.
    Figura 1
    Figura 2
    Figura 3
    Figura 4
    Figura 5
    Figura 6
    Figura 7
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201001642
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 29.12.2010
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    X
    DE 102007036713 A1 (RASMANN MICHAEL) 30.04.2009, todo el documento. 1-6
    X
    EP 2012366 A2 (PIROVANO FEDERICO) 07.01.2009, resumen; párrafos [76],[100],[116]; figuras. 1,2,4-6
    X
    US 6837236 B1 (LICHTENBERGER MICHAEL) 04.01.2005, columna 3, líneas 39-48; figura 1. 1,2,4-6
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 25.11.2011
    Examinador A. Ezcurra Martínez Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201001642
    CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD H01L31/058 (2006.01)
    H01L31/052 (2006.01) F24J2/04 (2006.01) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)
    H01L, F24J
    Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201001642
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 25.11.2011
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 5 1-3, 4, 6 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-6 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201001642
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    DE 102007036713 A1 (RASMANN MICHAEL) 30.04.2009
  7. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    El documento más cercano del estado de la técnica para la reivindicación independiente 1 es el documento D01. En este documento se divulga una planta solar para calentar agua y producir electricidad cuyo método de funcionamiento consta de las siguientes etapas:
    -
    Una etapa de precalentamiento del agua proveniente de la red de suministro en paneles fotovoltaicos (3) , que a su vez se refrigeran por intercambio de calor;
    -
    Una etapa de calentamiento del agua en elementos solares térmicos (12);
    -
    Una etapa de calentamiento final del agua utilizando una calentador de agua doméstico (5).
    A la vista de lo divulgado en el documento D01 la reivindicación independiente 1 y sus dependientes 2, 3,4 y 6 carecen de novedad según el art. 6.1 de la LP.
    La reivindicación 5, si bien no está expresamente divulgada en el documento D01 se considera que carece de actividad inventiva según el art. 8.1 de la LP, ya que la utilización de módulos del mismo tipo en serie sería obvio para un experto en la materia.
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6837236B1 (en) * 2002-08-21 2005-01-04 Michael Lichtenberger Solar energy conversion system
EP2012366A2 (en) * 2007-07-05 2009-01-07 Federico Pirovano Photovoltaic system with improved efficiency and increment method of the electrical energy production of at least a thermo-photovoltaic solar module
DE102007036713A1 (de) * 2007-10-24 2009-04-30 Rassmann, Michael Solar-Hybridanlage mit Klimatisierungseffekt

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