DE102020002895A1 - PVT-Solarkollektor für ganzjährige Gewinnung von Strom und Wärme - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung nutzt die Synergien der Energiebedarfsdeckung an oder auf einem Gebäude durch Photovoltaik und Solarthermie.Gegenstand der Erfindung ist ein photovoltaisch-solarthermischer (PVT) Kollektor 23 für Anwendung auf oder an einem Gebäude, der vorzugsweise mit einem saisonalen Wärmespeicher betrieben wird, und dazu beitragen kann, dass diese Solaranlage mit Speicher durch Mehrfachnutzung von Fläche, Konstruktionsmaterial und Wärmeertrag auch in der kalten Jahreszeit wirtschaftlich wird,wobei der Kollektor auf der Vorderseite transparent wärmegedämmt ist, indem zwischen der Vorderseite aus Glas 1 und dem Wärmetauscher 4 mit den zugleich als thermische Absorber wirkenden Solarzellen 6 ein schmaler Zwischenraum 10 mit z. B. Vakuum besteht,während die anderen Seiten durch das Einfügen z. B. in die Wärmedämmung 12 eines Gebäudes wärmegedämmt sind. Also entstehen weniger Wärmeverluste (T-).Nach Montage auf oder an einem Gebäude wird der Kollektor Teil einer gegen Regen und Schnee dichten wärme-isolierenden Gebäudehülle.Mit seinem glasbündigem Rahmen 11 begünstigt dieser PVT-Kollektor das rückstandsfreie Ablaufen von Regenwasser und schnelles Abrutschen von Schnee. - Sein Rahmen 11 ermöglicht unabhängige Montage und Demontage jedes einzelnen Kollektors.Überhitzung wird durch Formgebung des Wärmetauschers 4 und der Kühlkanäle 16 in der rückseitigen Wärmedämmung 12 durch eine thermostat-gesteuerte Notkühlung verhindert.- Vorzugsweise für optimale Erträge an Wärme (T+) und Strom (PV) - auch bei Teilverschattung der Anlage - werden der Fluss des Wärmeträgers ebenso wie das Wechselrichten des Stroms für jeden Kollektor einzeln geregelt.-

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft die Gebiete der Photovoltaik (PV) und Solarthermie (ST), welche kombiniert als PVT Strom- und Wärmegewinnung aus Solarstrahlung mit einem Bauelement ermöglichen, das z. B. in Fassaden oder in Dächer eingefügt werden kann.
• Bisher gibt es PVT-Technik
• • mit ungedämmten PVT-Modulen, die in der warmen Jahreszeit bei nur geringer Windstärke zusätzlich zum gewonnenen Strom das Brauchwasser erwärmen können und deren elektrischer Wirkungsgrad durch die intensivere (Flüssigkeits)-Kühlung geringfügig verbessert wird,
• • mit ungedämmten PVT-Kollektoren, deren Wärmetauscher nicht nur die bei der Wandlung von Licht in elektrischen Strom anfallende Wärme nutzen sondern auch nachts und im Winter als Luft-Wärmetauscher dienen - vorzugsweise mit vergrößerter Oberfläche zur Luftströmung, wobei die gewonnene Niedertemperaturwärme mittels einer Wärmepumpe nutzbar gemacht wird (Wärmepumpen-PVT) - eine sehr gute Erhöhung des Ertrags auf der verfügbaren Einstrahlungsfläche, solange der Strom für die Wärmepumpe beim höchsten Wärmebedarf nicht knapp wird -,
• • mit teilweise gedämmten PVT-Kollektoren, deren vorderseitige Wärmeverluste in den Übergangszeiten und in der kalten Jahreszeit kaum Wärmeerträge ermöglichen.
• Rein solarthermische Kollektoren - ST - sind mit Wärmedämmung rundum bekannt, auch vorderseitig mit transparenter Dämmung und Vakuumdämmung ausgeführte.
• Die oben beschriebenen PVT-Module (optimiert für Stromgewinnung) und PVT-Kollektoren (optimiert für Wärmegewinnung) werden wie übliche PV-Module bzw. solarthermische Kollektoren ausgeführt.- Bei Optimierung für Wärmegewinnung haben sie - wie solarthermische Kollektoren bei Ausfall der Wärmeabnahme ein Überhitzungsproblem (Stagnation), das für die Photovoltaik nicht nur den Ertrag erheblich vermindert, sondern auch die PV-Lebensdauer beeinträchtigen kann.
• Bei Vakuum-Flachkollektoren hat sich gezeigt, dass die Vakuumhaltung nach kürzerer oder längerer Betriebszeit nicht ausreichend ist, weil die verwendeten elastischen Dichtungen unter den Wettereinflüssen und durch die ständig wechselnden Ausdehnungen von Vorderseitenglas und Rückseitenmaterial nicht beständig sind, so dass zeitweilig die eingedrungene Luft mit einer ständig angeschlossenen Vakuumpumpe abzupumpen ist.
• - Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion des Randverbunds zwischen Glasscheibe und Wärmetauscher sorgt eine elastische Sicke entweder im Randstreifen an der Glasscheibe oder am Rand des Wärmetauschers dafür, dass die großen Wärmedehnungen elastisch abgefangen werden.
• - Die lokalen Spannungen wegen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten müssen durch geeignete Material-Paarung von Glas und Metall minimiert werden, wie das auch bei Vakuumröhrenkollektoren möglich ist.
• Die vorliegende Erfindung löst erstens die Aufgabe, PVT-Kollektoren zur Verfügung zu stellen, die auch ohne Wärmepumpe ganzjährigen Wärmeertrag auch in Mitteleuropa oder in ähnlichen Klimazonen ermöglichen, um so die Kosten für einen saisonalen Wärmespeicher zu vermindern. Je besser die Kollektor-Wärmedämmung wird, um so höher ist der Wärmeertrag, bei dem die Wärmeträger-Temperatur die nutzbare Mindesttemperatur übersteigt.
• Zweitens ist dieser PVT-Kollektor so gestaltet, dass bei Stagnation eine Notkühlung seine Absorber-Betriebstemperatur begrenzt, wodurch die Stromerzeugung nicht mehr wesentlich beeinträchtigt wird.
• Gegenstand der Erfindung ist ein photovoltaisch-thermischer (PVT) Kollektor für Anwendung auf oder an einem Gebäude,
  umfassend eine Vorderseite aus Glas 1 und der Vorderseite zugewandte Solarzellen 6 , die zugleich als thermische Absorber wirken und auf einem rückseitigen Wärmetauscher 4 aufgebracht sind,
  wobei der Kollektor so ausgestaltet ist, dass er nach Montage auf oder an einem Gebäude auf allen Seiten wärmegedämmt ist,
  wobei die Wärmedämmung auf der Vorderseite transparent ist, indem zwischen der Vorderseite aus Glas 1 und dem Wärmetauscher 4 mit den Solarzellen ein enger Zwischenraum 10 mit Vakuum besteht oder ein schweres Edelgas (z.B. Krypton oder Argon) eingefüllt ist.
• Durch Beschichtung 2 des Frontglases und / oder der Solarzellen 6 werden Wärmeverluste (R in 1) infolge von Reflexion und Wärmestrahlung vermindert, jedoch darf diese Beschichtung den Lichteintritt L nicht zu stark beeinträchtigen.
  Die Erfindung betrifft also einen solarthermischer Kollektor für Anwendung auf bzw. an Gebäuden, der mit photovoltaischen Solarzellen 6 als Absorber aus Solarstrahlung L sowohl Strom PV als auch Wärme T gewinnen kann, also ein an sich bekannter PVT-Kollektor. Dieser wird ganzjährig Wärme aus Solarstrahlung gewinnen durch allseitige sehr gute Wärmedämmung:
• - auf der Vorderseite transparent und
• - auf der Rückseite - Kosten und Bauvolumen sparend - durch Einfügung in die wärmedämmende Gebäudehülle 12
• - ersatzweise in eine wärmedämmende Tragschale bei Anwendung z. B. auf Flachdächern.
• Bevorzugt erfolgt die Wärmedämmung auf der Vorderseite durch Hochvakuum, das Wärmetransport durch Wärmeleitung und durch Konvektion weitgehend unterbindet.. Wärmeverlust durch Wärmestrahlung wird durch eine Low-Emission-Beschichtung 2 des Frontglases 1 klein gehalten, wobei diese Beschichtung für das ankommende Sonnenlicht möglichst gut durchlässig sein muss.
• Bei Vakuumisolierglas-Fenstern (VIG-Fenstern) konnten Fertigungs- und Betriebserfahrungen gesammelt werden, die erfindungsgemäß für die Flachkollektor-Bauform angepasst werden.
  Um den atmosphärischen Druck von innen abzufangen, werden bei VIG-Fenstern winzige Stützkörper von 1 mm Höhe und weniger - in regelmäßigen Abständen eingesetzt, welche den Durchblick nur unwesentlich beeinflussen. Derartige Stützkörper sind Stand der Technik und können auch erfindungsgemäß für PVT-Kollektoren eingesetzt werden. Allerdings sollte möglichst eine punktuelle Abstützung auf Solarzellen vermieden werden.
• Die Solarzellen 6 können kristalline Solarzellen oder Dünnschichtsolarzellen sein. Dünnschichtsolarzellen, die auf ein Substrat aufgebracht werden, können direkt auf den Wärmetauscher 3 aufgebracht werden. Kristalline Solarzellen werden typischerweise aufgeklebt oder laminiert.
• Die Stützkörper 3 können bevorzugt auf dem die Rückwand des Kollektors bildenden Wärmetauscher 4 abgestützt sein,
  z. B. mit ‚Viertelzellen‘ - z.B. ca. 160 mm x 40 mm - wird die Abstützung in die Zwischenräume zwischen diesen streifenförmigen Solarzellen verlegt.
• Alternativ können die Stützkörper 3 auf den Solarzellen abgestützt sein, wobei in diesem Fall der Abstand zwischen den Stützkörpern bevorzugt ca. 1 cm beträgt, und bevorzugt ein flächiger Kontakt ausgebildet ist, um eine Schädigung der Solarzellen zu verhindern. Die dadurch hervorgerufene Wärmeleitung kann auf wenige Prozent der Absorberfläche beschränkt bleiben.
  Durch regelmäßige kleine Erhebungen in dichter Folge in der Unterseite des Frontglases 1 wird dann die Abstützung so gestaltet, dass die Druckkräfte auch für spröde Siliciumzellen noch erträglich sind. Dabei können diese Stützkörper auch aus auf die Glasscheibe aufgedrucktem elastischem Kunststoff sein, der die Solarstrahlung aushalten kann ohne auszugasen oder aufzuweichen.
• Besonders vorteilhaft für den Zusammenbau des Kollektors ist es, die erfindungsgemäßen Stützkörper als Vorsprünge der Glasscheibe in einem rasterartigen Muster auszubilden.
• Alternativ können die Stützkörper durch einen oder mehrere hitzebeständig isolierte Heizdrähte 3 gebildet werden, welche bevorzugt in den Zwischenräumen zwischen den Solarzellen 6 auf dem die Rückwand des Kollektors bildenden Wärmetauscher 4 abgestützt sind. So ein Heizdraht kann ähnlich einer Heckscheibenheizung beim Auto ausgebildet sein, er ist zum Abtauen von Schnee und Eis im Winterbetrieb nützlich.
  Zusätzlich sind für die Ausführung als Flachkollektoren die Merkmale der glasbündigen Randausbildung entsprechend der Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2014 004 801 nützlich, um für den Winterbetrieb das Abrutschen von Schnee sicherzustellen.
• Die Wärmeabnahme erfolgt beispielsweise über ein direkt durchflossenes Röhrensystem - 4 -- z.B. wie bei üblichen solarthermischen Kollektoren -, das vorzugsweise als Parallelschaltung - „Harfe“ genannt - vieler gleichmäßig verteilter Röhrchen mit etwa ovalem Querschnitt - 6 - ausgeführt wird.
• Ein ovaler Qerschnitt der Kühlkanäle in den erfindungsgemäßen Ausführungsarten weist bei gleichem Querschnitt eine größere Mantelfläche auf als ein kreisförmiger Querschnitt. Dieses Merkmal ermöglicht es bei entsprechender Dimensionierung, dass ein solches Rohr auch die Volumenänderung von gefrierendem Wasser überstehen kann, ohne aufzuplatzen. Das gilt auch für ein an der Schmalseite abgeflachtes Ovalrohr.
• Ein weiterer Grund für die erfindungsgemäße Ausführung der Kühlkanäle ist ihre Doppelfunktion als Kühlrippen für die Notkühlung, denn im Stagnationsfall steht wesentlich nur die Modulrückseite zur Wärmeabgabe bereit. Die Oberfläche der Kühlrippen und des schmalen Stegs zwischen zwei Kühlrippen muss ohne zu große Überhöhung der Absorbertemperatur die Wärme an die Luft im Notkühlkanal abgeben können.
• Damit dieses System ohne Frostschutzmittel mit Wasser betrieben werden kann, muss es als Drain-Back-System ausgeführt werden, wobei diese Röhrchen und ihre Sammlerrohre mit der erforderlichen Neigung gestaltet werden, damit die Kollektoren selbst waagerecht montiert werden können und die Anlage „ordentlich aussieht“.
• Eine weitere Möglichkeit der Wärmeabnahme umfasst die Nutzung von Wärmerohren als Wärmetauscher. Diese Wärmerohre können mit ihren Kondensator-Enden ‚trocken‘ - aber mit Wärmeleitpaste - an eine z. B. trapezförmige Sammelleitung angeschlossen werden, die in den Bereichen ihrer Oberfläche, die den Kollektor nicht berühren, wärmegedämmt ausgeführt werden kann.
• Diese Sammelleitungen können zugleich als Traggestell für die Kollektoren ausgebildet werden und sind bei gebäude-integrierter Bauweise wie der Kollektor in die wärmedämmende Gebäudehülle eingefügt.
• Der PVT-Kollektor sollte daher so ausgestaltet sein, dass er regen- und winddicht in eine wärmedämmende Gebäudehülle eingefügt werden kann.
• Dies wird bevorzugt durch ein Profil der Kanten (bzw. an den Rändern zwischen Vorder- und Rückseite) des Kollektors erreicht, welches Zwängungskräfte verhindert, die bei Bewegungen der Gebäudehülle z. B. durch Wind oder thermische Dehnung auftreten können. Das ist z.B. an allen vier Rändern bei einem Rahmenprofil 11 wie in 2 möglich. Vorzugsweise wird der Rand so gestaltet, dass beim geschindelten Verlegen an einer Wand oder auf einem Dach jeder der 4 Ränder, mindestens aber 2 sich gegenüberliegende, unterer bzw. oberer Rand werden kann.
• Eine weitere Anforderung an die Ausbildung der Kanten des Kollektors bzw. seines die empfindlichen Kanten schützenden Rahmens wie zugleich auch an die Tragstruktur - wie in 2 erkennbar - ergibt sich daraus, dass zu Wartungsarbeiten oder bei Beschädigungen, z. B. durch Feuerwerk oder herabfallende Körper, jeder Kollektor und sein Zubehör unabhängig von allen anderen Kollektoren zugänglich und und gegebenenfalls ersetzbar sein muss.
• Die bevorzugte Verlegung berücksichtigt den Regenablauf, die Induktionsschleifen-freie Leitungsführung, optimale Leitungslängen und die Strömungsrichtung auf der Rückseite der Kollektoren für die vorgesehene Notkühlung.
• Alternativ - für Anlagen auf Flachdächern - kann ein System aus einem erfindungsgemäßen Kollektor und einem Wärmedämmelement genutzt werden, wobei der Kollektor entsprechend in das Wärmedämmelement eingefügt ist. Dabei ist das Wärmedämmelement optional als Schale ausgebildet, welche gleichzeitig als Träger zur Montage dient.
• Alle Wärmedämm-Maßnahmen sollten grundsätzlich bevorzugt mit porösem, nicht brennbaren mineralischen Material oder als Vakuumdämmung ausgeführt werden. Die Entsorgung von sonstigem Plastikmüll ist schon problematisch genug.
• Für Gebäudeintegration der PVT-Kollektoren reduzieren folgende Maßnahmen den Einfluss von Teilverschattungen:
1. 1. am Kollektorrahmen angebrachte Mikrowechselrichter (Hierdurch wird zugleich die Auslegung und Installation der Anlage erheblich vereinfacht.)
2. 2. Pumpen oder Regelventile für den Wärmeträgerfluss jedes einzelnen Kollektors verhindern, dass zeitweilig verschattete Kollektoren durch niedrigere Wärmeträger-Temperatur für den gesamten Wärmestrom durch die Vermischung die Temperatur absenken (Minderung der Exergie).
• Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Abbildungen gezeigt.
• Verzeichnis der Abbildungen:
• 1 zeigt die Leistungsflüsse und den Vorteil der Wärmedämmung von PVT-Kollektoren gemäß der Erfindung.
• 2 zeigt einen erfindungsgemäßen PVT-Kollektor 23 - hier mit direkt durchströmten Kühlkanälen 16 - in eingebauter Lage mit angrenzenden Kollektoren, Tragstruktur 21, 22 und einem Teil der Gebäude-Dämmung 12.
• 3 zeigt den aktiven Teil eines Vakuum-PVT-Kollektors: als Schnittzeichnungen
  1. a) Ansicht in Richtung der Kühlrippen, für beide Ausführungsformen, b und c) Ansicht quer zu a:
     • b) mit direkter Durchströmung der Kühlkanäle 16,
     • c) mit Wärmerohren 16, die „trocken-gekoppelt“ sind an das Sammelrohr 18.
• 4 zeigt einen direkt gekühlten PVT-Kollektor-Wärmetauscher 4 von unten.
• 5 zeigt einen Wärmetauscher 4 in Ansicht von unten mit gekröpftem festen Sammlerrohr 18 , trocken gekoppelt mit den Wärmerohr-Rippen 16.
• 6 zeigt Kühlrippen mit Kühlkanälen, die sowohl direkt durchströmt werden können oder, wenn ihre Enden entsprechend verschlossen sind, als Wärmerohr dienen.
• Bezugszeichenliste

L

Leistung des einfallenden Sonnenlichts

R

reflektiertes und in der Glasscheibe absorbiertes Licht

PV

elektrische Leistung

T

gesamte Wärmeleistung

T+

nutzbare Leistung

T+is

nutzbare Leistung bei verbesserter Wärmedämmung

T-

Wärmeverluste

T-is

weniger Wärmeverluste bei besserer Wärmedämmung

1

viPVT-Kollektor

2

Funktionsschicht

3

Stützkörper, alternativ: elektrisch-isolierter Heizdraht

4

Wärmetauscher

5

Wärmetransport-Kühlrippe

6

Solarzelle

7

Glas-Metall-Verbindung

8

Sicke zum Dehnungsausgleich

9

Metall-Metall-Verbindung

10

Zwischenraum mit Vakuum oder Edelgas-Füllung

11

Kollektor-Rahmen

12

gebäudeseitige Wärmedämmung

13

Verteilerrohr, Sammlerrohr (kalt)

14

Sammler-Rohr (warm)

15

Rohranschluss

16

Kühlkanal

17

Wärmerohr-Kondensator-Ankopplung

18

Sammelrohr am Wärmerohr-Kondensator

19

schmale Stabilisierungsleiste

20

Raum für Mikrowechselrichter

21

vertikale Montageschiene

22

horizontale Montageschiene

23

viPVT-Kollektor

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 202014004801 [0015]

Claims (6)

1. Photovoltaisch-thermischer (PVT) Flachkollektor für Anwendung auf oder an einem Gebäude, umfassend eine Vorderseite aus Glas und der Vorderseite zugewandte Solarzellen, und einen Wärmetauscher als Rückseite, auf dessen glatter Vorderseite die Solarzellen aufgebracht sind, - wobei im engen - von winzigen Stützkörpern auf dem Wärmetauscher abgestüzten - Abstandsraum zwischen Glasscheibe und Solarzellen zur Wärmedämmung ein Vakuum besteht oder schweres Edelgas eingefüllt ist, - während die Rückseite dieses Wärmetauschers aus Rippen besteht, die innen vom Wärmeträger durchströmt werden, - wobei der Wärmetauscher mit seinen Kühlrippen und die Wärmedämmung des Gebäudes - alternativ eine wärmedämmende, den Kollektor tragende Schale - einen Notkühl-Kanal bilden, in dem bei Übertemperatur eine thermostatisch betätigte Klappe einen Luftstrom frei gibt.
2. PVT-Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung zwischen Wärmetauscher und Glasscheibe durch einen hitzebeständig isolierten Heizdraht erfolgt, der zusätzlich die Funktion hat, bei Schnee oder Reif die Glasscheibe abzutauen, falls deren Low-E-Beschichtung nicht als stromdurchflossene Flächenheizung geeignet ist.
3. PVT-Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützkörper als Vorsprünge der Glasscheibe ausgebildet sind, die in einem so engem Raster angeordnet sind, dass sie als punktförmige Lasten nicht nur in den Zwischenräumen zwischen den Zellen sondern auch auf den Solarzellen abgestützt werden können.
4. PVT-Kollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser so ausgestaltet ist, dass er regen- und winddicht in eine wärmedämmende Gebäudehülle eingefügt werden kann, - wobei dies bevorzugt durch ein Profil des Kollektorrahmens bzw. der Kanten des Kollektors erreicht wird, welches Zwängungskräfte verhindert, die bei Bewegungen der Gebäudehülle z. B. durch Wind oder thermische Dehnung auftreten können.
5. PVT-Kollektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein Wärmetauscher so gestaltet ist, dass er für ein Drain-Back-System mit Wasserkühlung geeignete Sammlerrohre hat.
6. Ein PVT-Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen des Kollektors Wärmerohre sind, deren Kondensator-Enden bei „trockener Kopplung“ die Wärme an ein Rohrleitungssystem übertragen.

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