DE20010880U1 - Hybrid solar collector - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Hybrid-Solarkollektor in Sandwich-Aufbau zur gleichzeitigen Umwandlung von Sonnenstrahlen in Wärme und in elektrische Energie.The invention relates to a hybrid solar collector in sandwich construction for the simultaneous conversion of solar rays into heat and electrical energy.
Es sind grundsätzlich zwei Typen Sonnenkollektoren bekannt: thermische Kollektoren zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme und photovoltaische Kollektoren zur Umwandlung der Sonnenstrahlung in elektrische Energie. In thermischen Sonnenkollektoren wird ein Wärmeträgermedium, beispielsweise eine Glykolwassermischung, mittels Sonnenstrahlung erwärmt und zu Heizzwecken oder zur Warmwassergewinnung verwendet. Es sind die unterschiedlichsten Konstruktionsprinzipien bekannt.There are basically two types of solar collectors: thermal collectors for converting solar radiation into heat and photovoltaic collectors for converting solar radiation into electrical energy. In thermal solar collectors, a heat transfer medium, such as a glycol-water mixture, is heated using solar radiation and used for heating purposes or to produce hot water. A wide variety of design principles are known.
Bewährt haben sich Kollektormodelle mit einer Wärmeaustauschkammer, welche vom Wärmeträgermedium durch-0 flössen wird. Da der in der Kammer herrschende Druck relativ groß sein kann, werden vorzugsweise Rippenbleche zur Bildung der Kammer verwendet.Collector models with a heat exchange chamber through which the heat transfer medium flows have proven to be effective. Since the pressure in the chamber can be relatively high, ribbed plates are preferably used to form the chamber.
Photovoltaische Kollektormodule bestehen im allgemein aus einem flächenartigen Träger, auf welchem parallel beziehungsweise in Serie geschaltete Solarzellen angeordnet sind. Zum Schutz gegen Witterungseinflüsse sind die Solarzellen mit einem lichtdurchlässigen Schutzelement, meistens mit einer Folie oder einer Glasscheibe, überdeckt. Des weiteren sind Sonnenkollektormodule bekannt, welche beide Kollektortypen in einem Gehäuse kombinieren. Diese sandwichartig aufgebauten Sonnenkollektormodule weisen einen hohen Wirkungsgrad auf, da das Wärmeträgermedium zugleich als Kühlmittel für die Solarzellen eingesetzt ist. Derartige kombinierte SonnenkollektorraodulePhotovoltaic collector modules generally consist of a flat carrier on which solar cells connected in parallel or in series are arranged. To protect them against the effects of the weather, the solar cells are covered with a transparent protective element, usually a film or a pane of glass. Solar collector modules are also known that combine both types of collector in one housing. These sandwich-like solar collector modules are highly efficient because the heat transfer medium is also used as a coolant for the solar cells. Such combined solar collector modules
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sind beispielsweise aus DE-A-4 120 943, DE-A-4 206 931, DE-A-4 210 975 und DE-A-4 222 806 bekannt.are known, for example, from DE-A-4 120 943, DE-A-4 206 931, DE-A-4 210 975 and DE-A-4 222 806.
Zur Energieumwandlung mittels Sonnenenergie wird für beide Sonnenkollektortypen eine relativ große, sonnenbeschienene Sammlerfläche benötigt. Deshalb werden die Sonnenkollektormodule vorzugsweise auf Dächern angebracht oder in Fassaden von Gebäuden integriert. Der Einbau in geneigte Flächen, beispielsweise in Dächern, ist dabei zu bevorzugen, da die Wahl eines idealen, breitengradabhängigen Winkels die auf den Sonnenkollektor einwirkende Sonneneinstrahlung maximiert. Zur Integration in die Dachfläche werden die im allgemeinen quaderförmigen Sonnenkollektormodule gemäß dem Stand der Technik schachbrettartig auf eine wasserdichte Unterdachfläche gelegt und die Fugen zwischen den einzelnen Modulen abgedichtet. Im Falle thermischer Sonnenkollektoren werden die einzelnen Module zudem mit Leitungsrohrelementen miteinander verbunden.To convert energy using solar energy, both types of solar collectors require a relatively large, sunlit collector surface. For this reason, solar collector modules are preferably installed on roofs or integrated into the facades of buildings. Installation in inclined surfaces, such as roofs, is preferable, as choosing an ideal angle that depends on the latitude maximizes the amount of sunlight that affects the solar collector. To integrate them into the roof surface, the generally cuboid-shaped solar collector modules are laid in a checkerboard pattern on a waterproof sub-roof surface in accordance with the state of the art, and the joints between the individual modules are sealed. In the case of thermal solar collectors, the individual modules are also connected to one another using conduit elements.
Aus der WO/9914536 ist ebenfalls eine Hybrid-Solarkollektor bekannt, bei dem ebenfalls photovoltaische und thermische Kollektoren in ein gemeinsames Kollektormodul integriert sind. Die einzelnen Kollektormodule weisen einen oberen und einen unteren Abschnitt auf, wobei der obere Abschnitt als Befestigungsteil dient und im unteren Bereich oben der photovoltaische Kollektor und darunter der thermische Kollektor angeordnet ist. Die Rückseite des thermischen Kollektors zum Dach hin ist mit einer Wärmeisolierung in Form eines Schaumteiles versehen. Die einzelnen Kollektormodule werden überlappend auf der Fassade oder dem Dach angeordnet, so daß sich eine geschlossene Kollektorfläche ergibt. Die Verbindung der Strömungskanäle für das Wärmetauschemittel der einzelnen thermischen Kollektoren erfolgt durch Steckverbindungen in einer Richtung senkrecht zur Kollektorfläche durch dieA hybrid solar collector is also known from WO/9914536, in which photovoltaic and thermal collectors are also integrated into a common collector module. The individual collector modules have an upper and a lower section, with the upper section serving as a fastening part and the photovoltaic collector being arranged at the top in the lower area and the thermal collector below it. The back of the thermal collector towards the roof is provided with thermal insulation in the form of a foam part. The individual collector modules are arranged overlapping on the facade or roof so that a closed collector surface is created. The flow channels for the heat exchange medium of the individual thermal collectors are connected by plug connections in a direction perpendicular to the collector surface through the
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überlappende Anordnung der einzelnen Kollektormodule. Hierdurch, durch die überlappende Anordnung allgemein und durch die notwendige vergleichsweise dicke Isolierung ergibt sich eine sehr dicke bzw. hohe Konstruktion, die aus ästhetischen Überlegungen nicht auf allen Dächern oder Fassaden akzeptiert wird.Overlapping arrangement of the individual collector modules. This, the overlapping arrangement in general and the necessary comparatively thick insulation result in a very thick or high construction, which is not accepted on all roofs or facades for aesthetic reasons.
Aus der DE 198 09 883 Al ist ebenfalls ein solarer Hybridkollektor zur kombinierten Strom- und Wärmeerzeugung bekannt, der als kompakter Laminatkörper mit einem Wärmetauscher in Form eines Hohlprofiis ausgebildet ist. Nachteilig hierbei ist, daß dieser bekannte Hybridkollektor zusätzlich auf der Rückseite isoliert werden muß, d. h., die Isolierung nicht Bestandteil des Hybridkollektors ist. Hierdurch erhöht sich die Bauhöhe, was wiederum zu Aktzeptanzproblemen führen kann.DE 198 09 883 A1 also discloses a solar hybrid collector for combined power and heat generation, which is designed as a compact laminate body with a heat exchanger in the form of a hollow profile. The disadvantage here is that this known hybrid collector must also be insulated on the back, i.e. the insulation is not part of the hybrid collector. This increases the height, which in turn can lead to acceptance problems.
Aus JP-A-11280241 ist eine Wärmeisolierung bekannt, die aus einer Wellpappenstruktur besteht, die mit einem dünnen Stahlblech gasdicht ummantelt und zusätzlich evakuiert ist.From JP-A-11280241 a thermal insulation is known which consists of a corrugated cardboard structure which is encased in a gas-tight manner with a thin steel sheet and is additionally evacuated.
Ausgehend von der WO/9914536 bzw. DE 198 09 883 AlBased on WO/9914536 or DE 198 09 883 Al
ist es Aufgabe der Erfindung, einen kompakten und extrem flachen Hybrid-Solarkollektor zu schaffen. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung eine hierfür besonders geeignete Wärmeisolierung anzugeben.The object of the invention is to create a compact and extremely flat hybrid solar collector. Furthermore, the object of the invention is to provide a thermal insulation that is particularly suitable for this purpose.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruch 1 bzw. 10.This problem is solved by the features of claim 1 and 10 respectively.
Dadurch, daß die Trägerschicht der aktiven photovoltaischen Schicht die obere Aussenschicht einer Sandwichstruktur und die Wäreraisolierung in Form einer gasdicht umschlossenen Wellpappenstruktur, die untere Aussenschicht der Sandwichstruktur ist, ergibt sich einThe fact that the carrier layer of the active photovoltaic layer is the upper outer layer of a sandwich structure and the thermal insulation in the form of a gas-tight corrugated cardboard structure is the lower outer layer of the sandwich structure results in a
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extrem flacher, kompakter Aufbau des Hybrid-Solarkollektor. Die beiden Außenschichten der Sandwichstruktur, die zugleich photovoltaische aktive Schicht bzw. Wärmeisolierung sind, schließen den Wärmetauscher dazwischen nach Art eines Sandwich ein.Extremely flat, compact design of the hybrid solar collector. The two outer layers of the sandwich structure, which are also the photovoltaic active layer and thermal insulation, enclose the heat exchanger in between like a sandwich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 ist die Wärmeisolierung bzw. die Wellpappenstruktur in der gasdichten Hülle evakuiert, wodurch die Isolierwirkung erhöht wird.According to an advantageous embodiment of the invention according to claim 2, the thermal insulation or the corrugated cardboard structure is evacuated in the gas-tight casing, whereby the insulating effect is increased.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 sind die Kanäle der Wellpappenstruktur senkrecht zu den Außenseiten der Sandwichstruktür orientiert. Hierdurch ergibt sich ebenfalls eine verbesserte Isolierwirkung.According to a further advantageous embodiment of the invention according to claim 3, the channels of the corrugated cardboard structure are oriented perpendicular to the outer sides of the sandwich structure. This also results in an improved insulating effect.
Die gasdichte Hülle der Wärmestruktur kann aus Metall bestehen, wodurch die Diffusion minimiert wird. Vorzugsweise besteht jedoch die gasdichte Hülle aus einer metallisierten Kunststofffolie, wodurch einerseits die Diffusion minimiert wird und andererseits eine kostengünstige und leichte Struktur erreicht wird.The gas-tight shell of the thermal structure can be made of metal, which minimizes diffusion. Preferably, however, the gas-tight shell is made of a metallized plastic film, which on the one hand minimizes diffusion and on the other hand achieves a cost-effective and lightweight structure.
Eine derartige Wärmeisolierung kann auch in anderen Bereichen eingesetzt werden und ist nicht auf die Verwendung in einem Hybrid-Solarkollektor beschränkt (Anspruch 10).Such thermal insulation can also be used in other areas and is not limited to use in a hybrid solar collector (claim 10).
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Wärmetauschereinrichtung Hohlprofile mit einem rechteckigen Querschnitt, wie dies ansich aus der DE 198 09 883 Al bekannt ist. Hierdurch ergibt sich zum einen ein flacher Aufbau und zum anderen ein guter thermischer Kontakt mit der aktiven Schicht bzw. mit der einfallenden Sonnenstrahlung.According to a further advantageous embodiment of the invention, the heat exchanger device comprises hollow profiles with a rectangular cross-section, as is known from DE 198 09 883 A1. This results in a flat structure on the one hand and good thermal contact with the active layer or with the incident solar radiation on the other.
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Geraäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 7 ist zwischen aktiver Schicht und Wärmetauschereinrichtung eine Wärmeausdehnungskoeffizienten-Ausgleichsfolie angeordnet. Durch diese Ausgleichsfolie können gegebenenfalls unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem durchsichtigen Träger der aktiven photovoltaischen Schicht und dem Material der Wärmetauschereinrichtung ausgeglichen werden, wodurch die Funktion und Haltbarkeit aufrecht erhalten bzw· erhöht wird.According to a further advantageous embodiment of the invention according to claim 7, a thermal expansion coefficient compensation film is arranged between the active layer and the heat exchanger device. This compensation film can compensate for any different thermal expansion coefficients between the transparent carrier of the active photovoltaic layer and the material of the heat exchanger device, whereby the function and durability are maintained or increased.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die obere Außenseite der Sandwichstruktur eine Glasplatte, auf deren Innenseite die photovoltaische Schicht aufgebracht ist. Glas hat die gewünschten optischen Eigenschaften, ist wasserdicht, thermisch stabil und vergleichsweise kostengünstig.According to a further advantageous embodiment of the present invention, the upper outside of the sandwich structure is a glass plate, on the inside of which the photovoltaic layer is applied. Glass has the desired optical properties, is waterproof, thermally stable and comparatively inexpensive.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Anschlüsse für das Wäremträgermedium im Randbereich der Sandwichstruktur angeordnet, so daß hierdurch die Bauhöhe nicht vergrößert wird. Dies gilt in gleicher Weise für die elektrischen Anschlüsse der aktive photovoltaischen Schicht.According to a further advantageous embodiment of the invention, the connections for the heat transfer medium are arranged in the edge region of the sandwich structure, so that the overall height is not increased. This also applies to the electrical connections of the active photovoltaic layer.
Weitere Einzeilheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung.
30Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment with reference to the drawing.
30
Fig. 1 zeigt schematisch in Schnittdarstellung den Aufbau einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Fig. 1 shows a schematic sectional view of the structure of an exemplary embodiment of the invention.
Fig. 2. zeigt eine Detaildarstellung der Wärmeisolierung. Fig. 2 shows a detailed view of the thermal insulation.
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Fig. 1 zeigt den Schnitt durch eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung mit einem der Sonne zugewandten photovoltaischen Kollektorbereich 2, der eine Außenschicht in Form einer Glasplatte 6 umfaßt, auf deren innenliegende Seite die photovoltaisch aktive Schicht 4 aufgebracht ist. Seitlich sind aus der aktiven Schicht 4 elektrische Anslüsse 8 und 10 herausgeführt. Die aktive Schicht 4 ist von einer elektrisch isolierenden und gut wärmeleitenden Wärmeausdehnungskoeffizienten-Ausgleichsfolie 12 bedeckt. Hieran schließt sich ein flächiger thermischer Kollektorbereich 14 an, der eine Wärmetauschereinrichtung in Form eines Hohlprofils 16 umfaßt. Das Hohlprofil 16 bildet Strömungskanäle 18 in denen ein Wärmeträgermedium geführt wird. Seitlich sind Rohranschlüsse 20 und 21 vorgesehen, mittels denen das Wärmeträgermedium zu- und abgeführt wird. Wie die Bezeichnung andeutet, werden durch die Wärmeausdehnungskoeffizienten-Ausgleichsfolie 12 unterschiedliche Wärmeausdehnungen zwischen Glasplatte 6 und Hohlprofil 16 während des Betriebs ausgeglichen, so dass Dehnungsbrüche vermieden werden.Fig. 1 shows a section through an exemplary embodiment of the invention with a photovoltaic collector region 2 facing the sun, which comprises an outer layer in the form of a glass plate 6, on the inner side of which the photovoltaically active layer 4 is applied. Electrical connections 8 and 10 lead out of the active layer 4 at the side. The active layer 4 is covered by an electrically insulating and highly heat-conducting thermal expansion coefficient compensation film 12. This is followed by a flat thermal collector region 14, which comprises a heat exchanger device in the form of a hollow profile 16. The hollow profile 16 forms flow channels 18 in which a heat transfer medium is guided. Pipe connections 20 and 21 are provided at the side, by means of which the heat transfer medium is supplied and removed. As the name suggests, the thermal expansion coefficient compensation film 12 compensates for different thermal expansions between the glass plate 6 and the hollow profile 16 during operation, so that expansion fractures are avoided.
Die Unterseite der Wärmetauschereinrichtung 16 ist von einer Wärmeisolierung 22 bedeckt, die die untere Aussenschicht der Sandwich-Strukur bildet. Die Wärmeisolierung 22 umfaßt eine Wellpappenstruktur 24, die von einer gasdichten Hülle 26 umschlossen ist. Die Wellpappenstruktur 24 umfaßt Kanäle 28 die senkrecht zu den Aussenflächen der Sandwich-Strukur ausgerichtet sind.The underside of the heat exchanger device 16 is covered by a thermal insulation 22 which forms the lower outer layer of the sandwich structure. The thermal insulation 22 comprises a corrugated cardboard structure 24 which is enclosed by a gas-tight casing 26. The corrugated cardboard structure 24 comprises channels 28 which are aligned perpendicular to the outer surfaces of the sandwich structure.
Fig. 2 zeigt die eine Detaildarstellung der Wärmeisolierung 22 in Form eines Teilschnitts entlang der Linie A-A in Fig. 1. Die gasdichte Hülle 26 besteht aus einer Kunststofffolie 30, die innenseitig mit einerFig. 2 shows a detailed view of the thermal insulation 22 in the form of a partial section along the line A-A in Fig. 1. The gas-tight cover 26 consists of a plastic film 30, which is coated on the inside with a
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Metallbeschichtung 32 versehen ist. Die Metallbeschichtung 32 umfaßt beispielsweise Aluminium.Metal coating 32. The metal coating 32 comprises, for example, aluminum.
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·*&ogr;·*&ogr;
2 photovoltaischer Kollektorbereich2 photovoltaic collector area
4 photovoltaisch aktive Schicht4 photovoltaic active layer
6 obere Aussenschicht, Glasplatte6 upper outer layer, glass plate
8, 10 elektrische Anschlüsse8, 10 electrical connections
12 Wärmeausdehnungskoeffizienten-Ausgleichsfolie12 Thermal expansion coefficient compensation film
14 thermischer Kollektorbereich14 thermal collector area
16 Warmetauschereinrichtung, Hohlprofil16 Heat exchanger device, hollow profile
18 Strömungskanäle in 1618 flow channels in 16
20, 21 Rohranschlüsse20, 21 Pipe connections
22 Wärmeisolierung, untere Aussenschicht22 Thermal insulation, lower outer layer
24 Wellpappenstruktur24 Corrugated cardboard structure
26 gasdichte Hülle26 gas-tight cover
28 Kanäle in 2428 channels in 24
30 Kunststofffolie von 2630 plastic film of 26
32 Metallbeschichtung auf32 Metal coating on
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Claims (10)
einem der Sonne zugewandten photovoltaischen Kollektorbereich (2) mit einer aktiven Schicht (4),
einem unter dem photovoltaischen Kollektorbereich (2) angeordneten thermischen Kollektorbereich (14) in Form einer von einem Wärmeträgermedium durchströmten Wärmetauschereinrichtung, und
einer unter dem thermischen Kollektorbereich angeordneten Wärmeisolierung, dadurch gekennzeichnet,
dass der photovoltaische Kollektorbereich (2) eine für solare Strahlung durchlässige obere Aussenschicht (6) aufweist, auf deren innenliegender Seite die aktive Schicht (4) aufgebracht ist,
dass die obere Aussenschicht (6) die obere Aussenschicht einer Sandwich-Struktur des Hybrid-Solarkollektors bildet,
dass die Wärmeisolierung (22) eine Wellpappenstruktur (24) aufweist, die von einer gasdichten Hülle (26) umgeben ist, und
dass die Wärmeisolierung (22) eine untere Aussenschicht der Sandwich-Struktur bildet, die flächenmäßig der oberen Aussenschicht (6) entspricht. 1. Hybrid solar collector with
a photovoltaic collector region ( 2 ) facing the sun with an active layer ( 4 ),
a thermal collector region ( 14 ) arranged under the photovoltaic collector region ( 2 ) in the form of a heat exchanger device through which a heat transfer medium flows, and
a thermal insulation arranged under the thermal collector area, characterized in that
that the photovoltaic collector region ( 2 ) has an upper outer layer ( 6 ) permeable to solar radiation, on the inner side of which the active layer ( 4 ) is applied,
that the upper outer layer ( 6 ) forms the upper outer layer of a sandwich structure of the hybrid solar collector,
that the thermal insulation ( 22 ) has a corrugated cardboard structure ( 24 ) which is surrounded by a gas-tight casing ( 26 ), and
that the thermal insulation ( 22 ) forms a lower outer layer of the sandwich structure, which corresponds in area to the upper outer layer ( 6 ).
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