CZ16138U1 - Hybridní solární kolektor - Google Patents

Description

Technické řešení se týká hybridního solárního kolektoru pro získávání tepelné a elektrické energie ze slunečního záření, obsahujícího tepelný výměník a fotovoltaické články, přičemž tepelný výměník využívá sluneční energie pro ohřev kapaliny a jeho teplosměnná plocha je tvořena trubkovým hadem z tepelně vodivého kovového materiálu.

Dosavadní stav techniky

Jedním ze způsobů využívání alternativních energetických zdrojů je transformace sluneční energie na teplo, případně na elektrickou energii.

Tepelný sluneční kolektor je v podstatě tepelným výměníkem využívajícím slunečního záření působícího na jeho teplosměnnou plochu. Přijímaným teplem se ohřívá obvykle kapalina, která se průchodem tepelným výměníkem ohřívá a potom je využívána buď přímo, například jako teplá užitková voda, nebo své teplo vydává v otopném radiátoru pro ohřev okolního prostoru.

Při transformaci účinků slunečního záření na elektrickou energii se využívá fotovoltaických článků, které jsou především cenově vhodnější, než méně často užívané články termoelektrické, např. známé ze spisu DE 195 19 978.

V současné době jsou používány nejčastěji samostatné tepelné sluneční kolektory různých konstrukcí vlastního výměníku, přičemž pomocná zařízení, například oběhové čerpadlo kapaliny, případně pohon polohování teplosměnné plochy vzhledem ke směru dopadajících slunečních paprsků, jsou připojeny k vnější elektrické síti.

Samostatné fotovoltaické zařízení je využitelné pouze v případech potřeby relativně malých elektrických výkonů, nebo tam, kde elektrorozvodná síť je nedostupná. Je to způsobeno dosud značnými náklady na výrobu elektrické energie tímto způsobem.

Výhodné je doplnit tepelný sluneční kolektor fotovoltaickou částí, která by mohla být autonom25 ním zdrojem pro pohon elektrospotřebičů jeho pomocných zařízení.

Existují starší řešení, kde je plocha absorbující dopadající sluneční záření ve vhodném poměru rozdělena na část tepelného výměníku a část fotovoltaickou. Součet teplosměnné a světlo absorbující plochy je náročný na prostorové možnosti, velikost nosné konstrukce atd.

Novější uspořádání odpovídající současnému stavu techniky používají kombinace tepelné a foto30 voltaické části, což nevyvolává potřebu zvětšení plochy nutné pro dimenzování tepelného výměníku.

Řešení podle spisu DE 198 03 343 představuje sluneční kolektor kombinovaný s fotovoltaickými články jako náhradu střešních tašek tvořených modulárními trubkovými registry nesoucími fotovoltaické články, přičemž jednotlivé modulární elementy jsou propojeny pružnými hadicemi.

Spis DE 200 10 880 U používá tepelný výměník tvořený vedle sebe položenými trubkami čtvercového průřezu, které nesou vrstvu obsahující fotovoltaické články.

Nosnou částí podle spisu DE 198 01 380 je pravoúhlá nebo oblouková vlnovka, přičemž v jejich prohlubních jsou vloženy trubky tepelného výměníku a na vrcholech jsou upevněny fotovoltaické články.

Podle spisu DE 101 03 835 jsou v nosné konstrukci vedle sebe střídavě uloženy dutiny tepelného výměníku a fotovoltaické moduly.

V řešení podle spisu DE 42 10 975 odděluje v sendvičové stavbě dva prostory obsahující kapalinu tepelného výměníku vrstva fotovoltaických článků.

Řešení podle spisu JP 2002 039631 nebo podle spisu CA 2 230 471 používají tepelný výměník s dutinami lichoběžníkového profilu vytvořenými přeplátováním lichoběžníkové vlnovky rovinným plechem, nad nímž je umístěn tepelně odizolovaný fotovoltaický element.

-1 CZ 16138 Ul

Podle spisu CA 2 388 195 je tepelný trubkový výměník uložen ve vakuovém prostoru, na jehož vnější ploše je umístěna fotovoltaická část, která je vakuem tepelně odizolována.

Fotovoltaický článek podle spisu FR 2 548 455 je umístěn uvnitř skleněné trubky tepelného výměníku.

Zařízení podle spisu US 6 675 580 obsahuje pružný pás tepelného výměníku, na jehož jedné straně je upevněn pás obsahující fotovoltaické články, přičemž integrální pás úplného kombinovaného kolektoru je dodáván ve svinutém stavu, po rozvinutí se upevňuje na vhodné podložky.

Řešení podle dosavadního stavu techniky mají řadu nedostatků, například neuspokojivé spojení fotovoltaických článků s plochou trubkového tělesa tepelného výměníku hlavně z důvodu požadavku na odvádění ztrátového tepla z fotovoltaických článků, jejichž účinnost se většinou pohybuje pouze kolem 15 %, neekonomické využití plochy kombinovaného kolektoru, nebo všeobecně vysoká cena řešení s fotovoltaickými články umístěnými v prostoru kapalného média tepelného výměníku, nebo jiných konstrukčně náročných řešení.

Cílem navrhovaného technického řešení je odstranit, nebo alespoň minimalizovat nedostatky dosavadního stavu techniky.

Podstata technického řešení

Cíle technického řešení je dosaženo hybridním solárním kolektorem obsahujícím tepelný výměník a fotovoltaické články, jehož postata spočívá v tom, že trubkový had má mezi svými jednotlivými vedle sebe vedenými částmi vytvořeny mezery, které jsou překryty lamelami vytvořenými z tepelně vodivého materiálu a na lamelách je ze strany dopadajícího slunečního záření upevněn alespoň jeden fotovoltaický článek.

Dalším podstatným znakem je, že spojení lamel vytvořených z plechu, s trubkovým hadem, je provedeno pomocí tvarových zámků, kterými jsou lamely rozebíratelně tepelně vodivě spojeny s částmi trubkového hada a dále, že plech, ze kterého jsou vyrobeny lamely, je plasticky nebo pružně neformovatelný. V případě alternativy pružně deformovatelného plechu jsou tvarové zámky vůči částem trubkového hada předpruženy. Plocha tvarového zámku, která je po montáži lamely ve styku s trubkovým hadem, má vnitřní tvar odpovídající vnějšímu tvaru trubky trubkového hada.

Výhodou je jednoduché a přitom spolehlivé spojení bez použití dalších spojovacích prostředků, které umožňuje případnou výměnu lamely s fotovoltaickým článkem a které zaručuje dostatečné vedení tepla mezi lamelou a trubkou tepelného výměníku.

V alternativním výhodném řešení jsou lamely nerozebíratelně spojeny s částmi trubkového hada, s výhodou pájením. Toto alternativní řešení je vhodné v případech potřeby vyšší tuhosti celého kolektoru.

Výhodou hybridního solárního kolektoru podle technického řešení je vysoká účinnost transformace tepelné sluneční energie v tepelném výměníku a světelné sluneční energie ve fotovoltaické části.

Přehled obrázků na výkresech

Příkladné provedení zařízení podle technického řešení je schematicky znázorněno na výkresech, kde značí obr. 1 příčný řez hybridním solárním kolektorem, obr. 2 detail A z obr. 1, obr. 3 detail připojení lamel k trubce tepelného výměníku a obr. 4 čelní pohled na uspořádání energetické části hybridního solárního kolektoru.

Příklady provedení technického řešení

Hybridní solární kolektor podle technického řešení obsahuje skříň i sestávající ze spodního rámu 11. horního rámu 12 a krytu 13.

Plechový spodní rám 11 má tvar otevřené skříně s pevnou zadní stěnou, na kterou jsou zvenku pevně připojeny dvě profilové vzpěry 111 sloužící k montáži kolektoru na místě jeho užívání.

-2CZ 16138 Ul

Zevnitř je čelní stěna spodního rámu Π. opatřena izolační deskou 14, jejíž viditelná strana je pokryta reflexní hliníkovou fólií 15.

Plechový homí rám 12 je nasazen na obvodě lemu spodního rámu 11, se kterým je snýtován, přičemž mezi lemem spodního rámu 11 a vnitřní čelní plochou horního rámu 12 je vložen průsvitný kryt 13. vytvořený v příkladném provedení z kaleného solárního skla se světelnou propustností 90 %, se zvýšenou mechanickou odolností a odolností proti UV záření. Vhodnou alternativou materiálu krytu 13 je průsvitný komůrkový polykarbonát.

Uvnitř spodního rámu lije uspořádána energetická část 2 kolektoru obsahující tepelný výměník 21 a fotovoltaická část 22 obsahující fotovoltaické články 221.

Tepelný výměník 21 obsahuje trubkový had 211 tvořící osm dlouhých, přibližně rovnoběžných částí 2111 trvale mírně stoupajících od vstupního hrdla 212 k výstupnímu hrdlu 213, přičemž mezi každou dvojicí přibližně rovnoběžných částí 2111 je umístěna lamela 214, tedy v jednom spodním rámu lije umístěno sedm lamel 214. Lamely 214 jsou v příkladném provedení vyrobeny z měděného plechu tloušťky 0,5 mm, vhodnou alternativou je hlubokotažný pocínovaný ocelový plech tloušťky 0,5 mm. V obou případech je povrch lamel 214 opatřen pro zvýšení absorpce solární energie černým matným nátěrem, který má elektroizolační vlastnosti. V místě styku s přibližně rovnoběžnými částmi 2111 trubkového hada 211 se při montáži lamel 214 na přibližně rovnoběžné části 2111 vytvoří zamáčknutím plechu lamely 214 tvarové zámky 2142, které kromě upevnění současně zlepšují tepelně vodivé spojení lamel 214 s trubkovým hadem 211 a vzhledem k velké absorpční ploše lamel 214 podstatně zvyšují výkon tepelného výměníku 21.

V neznázorněném příkladném provedení jsou lamely 214 vyrobeny z pružinového materiálu a spojeny s trubkovým hadem 211 prostřednictvím pružnosti tvarového zámku podobného znázorněnému tvarovému zámku 2142. V jiné neznázorněné alternativě provedení jsou lamely 214 s trubkovým hadem 211 spojeny pevně, například pájením.

Fotovoltaická část 22 obsahuje v příkladném provedení křemíkové fotovoltaické články 221 o rozměrech 102,5 χ 102,5 mm, které jsou umístěny na pěti středních lamelách 214 na ploše, na niž dopadají sluneční paprsky. Na každé lamele 214 je umístěno vedle sebe sedm fotovoltaických článků 221, celkem 35 v jednom spodním rámu 11. Krajní lamely 214 nejsou pro fotovoltaickou část 22 využívány. Mezi fotovoltaickým i články 221 a povrchem lamely 214 je elektroizolační vrstva 2141 tvořená výše zmíněným černým nátěrem lamel 214. Tímto nátěrem jsou fotovoltaické články 221 od lamel 214 elektricky izolovány, přičemž jsou s lamelami 214 tepelně vodivě spojeny z důvodu nutného odvádění ztrátového tepla z fotovoltaických článků 221. Fotovoltaické články 221 jsou na lamelách 214 zality pryskyřicí 222.

Jednotlivé fotovoltaické články 221 jsou vzájemně spojeny do série neznázoměnými můstky, přičemž elektrická energie získávaná fotovoltaickou částí 22 je vyvedena mimo kolektor neznázorněným vodičem, který prochází průchodkou ve spodním rámu IL V neznázorněném provedení mohou být fotovoltaické články 221 uspořádány do sekcí, které jsou zapojeny v sério-paralelni kombinaci.

Výhodou zařízení podle technického řešení je vysoká účinnost transformace solární energie, jejímž výsledkem je ohřev teplosměnného média a elektrická energie využitelná s výhodou v autonomním komplexu slunečního kolektoru k pohonu pomocných elektrospotřebičů, přičemž zařízení je výrobně i montážně relativně jednoduché.

Claims (5)

1. Hybridní solární kolektor pro získávání tepelné a elektrické energie ze slunečního záření, obsahující tepelný výměník využívající sluneční energie pro ohřev kapaliny a fotovoltaické články využívající sluneční energie pro přeměnu na elektrickou energii, přičemž jeho teplosměnná plocha je tvořena trubkovým hadem z tepelně vodivého kovového materiálu, vyznačující se tím, že trubkový had (211) má mezi svými jednotlivými vedle sebe vedenými částmi (2111) vytvořeny mezery, které jsou překryty lamelami (214) vytvořenými z tepelně vodivého

-3CZ 16138 Ul materiálu a na lamelách (214) je ze strany dopadajícího slunečního záření upevněn alespoň jeden fotovoltaický článek (221).

2. Hybridní solární kolektor podle nároku 1, vyznačující se tím, že lamely (214) jsou vytvořeny z plechu, přičemž okraje lamel (214) přilehlé sousedním částem (2111) trubkové5 ho hada (211) tvoří tvarové zámky (2142), kterými jsou lamely (214) rozebíratelně tepelně vodivě spojeny s částmi (2111) trubkového hada (211).

3. Hybridní solární kolektor podle nároku 1, vyznačující se tím, že plech, ze kterého jsou vyrobeny lamely (214), je pružně deformovatelný tak, že v zamontovaném stavu jsou tvarové zámky (2142) vůči částem (2111) trubkového hada (211) přec^ruženy.

ío

4. Hybridní solární kolektor podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, zevnitřní plocha tvarového zámku (2142), která je po montáži lamely (214) ve styku s trubkovým hadem (211), má tvar odpovídající vnějšímu tvaru trubky trubkového hada (211).

5. Hybridní solární kolektor podle nároku 1, vyznačující se tím, že lamely (214) jsou nerozebíratelně tepelně vodivě spojeny s částmi (2111) trubkového hada (211).

15 6. Hybridní solární kolektor podle nároku 5, vyznačující se tím, že lamely (214) jsou spojeny s částmi (2111) trubkového hada (211) pájením.