DE2852059A1 - Plattenfoermige solarzelle - Google Patents

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PATENTANWALT DIPL.-ING. H. STROHSCHÄNK

STR

80CC MÜNCHEN 60 · MUSÄUSSTRASSE 5 · TELEFON (089) 881608 O (fk Q

1.12.1978-SSe(5) 190-1522P

Plattenförmige Solarzelle

Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle in Plattenform mit einer dünnen, an ihrer Außenseite der Strahlungsaufnahme dienenden sowie beiderseits durch Luft beaufschlagbaren Sammelplatte, die über einem Tragkörper angeordnet ist, der in seinem Mittelbereich zugleich einen Abführkanal für erwärmte Luft nach einem Wärmetauscher hin bildet.

Bisher war es üblich, Solarzellen mit verhältnismäßig grossen Sammelplatten, beispielsweise einer Breite von 1 bis 2 m und einer Länge von 1,5 bis 2,5 m und mehr herzustellen. Über die Oberfläche der Sammelplatte, die in der Regel als entlang ihren Rändern in einem Rahmen gehaltene Scheibe hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet und auf einem wärmeisolierenden Tragkörper angeordnet ist, wird - zugleich unterhalb einer durchsichtigen Deckplatte - ein dünner Luftstrom geführt, der bei einer Sonneneinstrahlung von der entsprechend erwärmten Sammelplatte her aufgeheizt wird. Wenn die Solarzelle in Verbindung mit der Sammelplatte in üblicher Weise noch einen an einen Flüssigkeitskreislauf angeschlossenen Wärmetauscher aufweist, bedarf sie außerdem eines die verschiedenen Teile stabil zusammenfassenden Gehäuses, womit sie verhältnismäßig schwer und umständlich handhabbar ausfällt.

Durch die US-PS 4 054 124 ist weiterhin ein Kollektorsystem für Solarenergie mit Solarzellen bekanntgeworden, die je-

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weils ein zwei Strömungswege für die Luft aufweisendes Luftführungssystem hoher Wirksamkeit, d.h. insbesondere einer kleinen Zeitkonstanten und eines hohen Wirkungsgrades unter weitmöglicher Vermeidung von Strömungsverlusten aufweisen. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zur Anwendung mit einem solchen Doppel-Strömungssystem geeignet, kann darüber hinaus aber auch in Verbindung mit allen sonstigen bekannten Kollektorsystemen zum Auffangen von Sonnenstrahlung angewendet werden. Der aus Luft oder einem anderen Gas bestehende dünne Luftstrom wird unter der dünnen ebenen Sammelplatte entlanggeführt. Betrachtet man in diesem Zusammenhang insbesondere die mit der Herstellung geeigneter Solarzellen verbundenen Herstellungsprobleme, Grenzen der erreichbaren Wirksamkeit und die Belange der praktischen Anwendung, so erkennt man, daß die bisher üblichen Konstruktionen mit großen Sammelplatten und entsprechend starren Rahmen- und Tragteilen erhebliche Mängel aufweisen. Wird. z.B. eine große Aluminiumplatte zur Vermeidung größerer Beschaffungskosten entsprechend dünn ausgebildet, so ist sie nicht mehr ausreichend selbsttragend und zudem so empfindlich, daß sie bei oder nach ihrem Einbau leicht beschädigt wird. Außerdem erfährt eine so große Platte bei einer Erhitzung eine nennenswerte Temperaturausdehnung, der hinsichtlich ihrer Einspannung Rechnung getragen werden muß, da während des Betriebes etwa auftretende Wellungen und Buckel sonst den Wirkungsgrad der Solarzelle herabsetzen» Weiterhin beeinflussen sowohl das Gewicht als auch die Kosten entsprechend großer, an den Solarzellen über den Sammelplatten befindlicher Glasscheiben die Gesamtkosten und das Gesamtgewicht der Solarzellen ungünstig. Schließlich ist es mit so großen Solarzellen auch schwierig, eine günstige, alle für die Energiegewinnung zur Verfügung stehenden Flächen optimal ausnutzende Verteilung der Zellen zu finden.

Wenn sich auch ein Teil der vorgenannten Mängel schon dadurch vermeiden ließe, die bekannten Solarzellen einfach geo-

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metrisch zu verkleinern, so liegt der Erfindung darüber hinaus doch noch die Aufgabe zugrunde, die der eingangs genannten Gattung entsprechenden Solarzellen so zu vervollkommnen, daß sie noch leichter als lediglich verkleinerte bekannte Solarzellen ausfallen und damit in einfacher Weise möglichst vielseitig anwendbar sind sowie unempfindlich gegenüber den auftretenden Temperaturbeanspruchungen und schließlich auch sonst möglichst vorteilhaft herstellbar und anwendbar sind.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß dicht hinter der Sammelplatte noch eine weitere Sammelplatte vorgesehen ist, hinter deren Mittelbereich noch vor dem Abführkanal ein sowohl mit dem zwischen den Sammelplatten gebildeten Hauptströmungskanal als auch mit dem Abführkanal in Verbindung stehender Sammelraum vorgesehen ist, und dadurch, daß die beiden Sammelplatten am Tragkörper lediglich über im Bereich des Sammelraumes vorgesehene mittlere Stützen festgelegt sind.

Durch eine solche, von Glasscheiben unabhängige Ausbildung der Solarzelle fällt diese wesentlich leichter als bisher aus und bietet zugleich den Vorteil, daß sie bei einer geeigneten Wahl ihrer Gesamtabmessungen auch leicht unter oder hinter bereits vorhandenen Glasscheiben, z.B. hinter vorhandenen Fenstern, angeordnet werden kann. Aus der lediglich mittleren Festlegung der beiden Sammelplatten folgt weiterhin, daß sich die außerhalb der Festlegungsstellen frei herausragenden Teile der beiden Platten entsprechend den jeweils auftretenden Temperaturschwankungen ungehindert ausdehnen und wieder zusammenziehen können, ohne daß mit ungünstigen Materialbeanspruchungen gerechnet zu werden braucht. Schließlich ergibt die An-Ordnung eines jedem Sammelplattenpaar zugeordneten Sammelraumes, der sowohl mit dem Hauptströmungskanal als auch mit dem Abführkanal über genügend große Querschnitte verbunden sein kann, daß für die Luftführung sehr kleine Strömungswiderstände

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eingehalten werden können.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die weitere Sammelplatte Stützkörper für die davor befindliche äußere Sammelplatte auf.

Nach einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die in an sich bekannter Weise rechtwinklig ausgebildete und mit zwei gegenüberliegenden Seitenrändern parallel zu dem entlang ihrer Mittelebene geführten Abführkanal verlaufende äußere Sammelplatte im Bereich ihrer beiden Seitenränder verteilt in den Hauptströmungskanal ausmündende Einlaßöffnungen für die Luft auf, während der Sammelraum unter den beiden Sammelplatten entlang der Mittelebene verläuft. Hierdurch ergibt sich eine Zuführung der kalten Luft von den genannten Seitenrändern der äußeren Sammelplatte aus durch den Hauptströmungskanal aufeinander zu bis in den Bereich der Mittelebene der Solarzelle, von wo aus die zwischen den beiden Sammelplatten erwärmte Luft durch entlang der Mittelebene verläufende Auslaßöffnungen der weiteren Sammelplatte in den Sammelraum gelangt. Weitere kleinere, über die Oberfläche der äußeren Sammelplatte verteilte Durchlaßöffnungen können in der aus der US-PS 4 054 124 hervorgehenden bekannten Weise zu einer der vorgenannten Hauptströmung überlagerten Beipaßströmung führen.

Gemäß einer anderen, ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die weitere Sammelplatte entlang ihren Rändern mit der äußeren Sammelplatte verbunden, womit sich trotz des dünnen Materials beider Platten eine selbsttragende Plattenkonstruktion ergibt, die keinen zusätzlichen Rahmen erfordert.

Andere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen weitere vorteilhafte konstruktive Einzelheiten der erfindungsgemäßen

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Solarzelle.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivisch sowie teilweise schematisch gehaltene Draufsicht auf in einer Reihe aufeinanderfolgende Solarzellen mit einem zugeordneten Lüfter (Teile der einen Solarzelle sind zur besseren Sichtbarmachung von Einzelheiten geschnitten dargestellt);

Fi.g 2 eine Solarzelle gemäß Fig. 1 in einem Querschnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 dieselbe Solarzelle in einem Teillängsschnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 1;

Fig. 4 eine der Fig. 1 ähnliche, jedoch rein schematisch gehaltene Darstellung einer in einem Kreislauf durch eine unter einer Glasscheibe baukastenartig zusammengesetzte Gruppe von Solarzellen geführten Luftströmung mit einem Wärmetauscher und einem Lüfter;

Fi.g 5 eine Gruppe benachbarter, einem zweiten Ausführungsbeispiel entsprechender Solarzellen in einem der Fig. 2 entsprechenden Teilquerschnitt;

Fig. 6 eine der Fig. 1 entsprechende Teilansicht einer weiterhin abgewandelten Solarzelle.

Die in Fig. 1 dargestellte Gruppe von dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Solarzellen weist quadratische Sammelplatten mit einer Kantenlänge von etwa 60 cm und damit einer

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Sammelfläche von etwa 0,36 m auf. Dabei ist angenommen, daß

neben der dargestellten Reihe aufeinanderfolgender Solarzellen noch weitere Reihen vorhanden sind und alle Solarzellen hinter einer bereits vorhandenen und von ihnen unabhängigen Glasscheibe angeordnet sind. Eine solche vorhandene Glasscheibe kann auch Bestandteil eines üblichen, senkrecht verlaufenden Fensters sein.

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Die der Sonnenstrahlung unmittelbar auszusetzende äußere Sammelplatte 10 besteht vorzugsweise aus einer dünnen Aluminiumscheibe einer Dicke von weniger als 0,2 mm und ist auf ihrer Oberseite schwarz beschichtet, wobei diese Schicht Iediglich eine geringfügige infrarote Strahlungscharakteristik aufweist. Die Solarzellen sind mit ihren Sammelplatten 10 derart entlang einer gemeinsamen Mittelebene aufeinanderfolgend angeordnet, daß jeweils zwei gegenüberliegende Seitenränder der Sammelplatten 10 parallel zu dieser Mittelebene verlaufen.

Wie aus Fig. 1 weiterhin ersichtlich ist, weist jede Sammelplatte 10 im Bereich ihrer beiden parallel zur Mittelebene verlaufenden Seitenränder verteilt Einlaßöffnungen 12 für die kalte Luft auf. Gemäß dem Ausführungsbeispiel beträgt der gegenseitige Abstand der Einlaßöffnungen 12 20 mm, während der Öffnungsdurchmesser jeweils 3 mm beträgt. Zwischen den ebenfalls parallel zur Mittelebene verlaufenden Einlaßöffnungen und der Mittelebene ist außerdem eine Vielzahl weiterer Beipaß-Einlaßöffnungen 14 für Kaltluft vorgesehen, wie es beispielsweise durch die US-PS 4 054 124 vorbekannt ist. Diese Beipaß-Einlaßöffnungen 14 weisen bei einem gleichen gegenseitigen Abstand von 20 mm nur einen Öffnungsdurchmesser von 0,7 mm oder weniger auf.

Die Sammelplatte 10 verläuft gemäß dem Ausführungsbeispiel in einem kleinen, genau eingehaltenen Abstand von etwa 1,5 mm vor einer weiteren Sammelplatte 16, die in nachstehend noch beschriebener Weise aus zwei Teilen besteht. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die Darstellungen der Zeichnung, insbesondere in den Fig. 2 und 3, nicht maßstäblieh sind, damit der vorgenannte Abstand zwischen den beiden Sammelplatten 10 und 16 hinreichend erkennbar wird. Außerdem ist die Sammelplatte 10 an ihrer Außenseite mit einer selektiven Schicht eines niedrigen Wärme-Reflexionsvermögens versehen.

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Insbesondere aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Sammelplatte 16 einen entlang der Gesamtfläche der äußeren Sammelplatte 10 verlaufenden Hauptteil 18 aufweist, der mit zwei beiderseits der Mittelebene verlaufenden Seitenteilen 19 im vorgenannten kleinen Abstand hinter der Sammelplatte 10 verläuft, in seinem Mittelteil jedoch zur Bildung eines symmetrisch zur Mittelebene verlaufenden und etwa konkav geformten Sammelraumes 20 nach unten ausgewölbt ist. Die entsprechend schrägen Seiten- und Stirnwände des Sammelraumes 20 gehen unten in eine ebene Bodenwand 22 über, von deren Mitte eine zentrale Auslaßöffnung 24 ausgeht, während um diese Auslaßöffnung 24 herum noch Gewindebohrungen 26 zur Aufnahme von nachstehend noch beschriebenen Halterungsteilen vorgesehen sind.

Die Seitenteile 19 der weiteren Sammelplatte 16 sind in der aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlichen Weise mit oberen, außen flachen Stützkörpern 28 versehen, die gemäß dem Ausführungsbeispiel 1,5 mm hoch sind. Ihr Durchmesser beträgt etwa 3 mm und sie sind gemäß Fig. 1 in einem rechteckigen Bereich mit einem gegenseitigen Abstand von 20 mm entlang senkrecht zueinander verlaufenden Reihen angeordnet. Die Stützkörper 28 sind im übrigen mit der Sammelplatte 10 durch Punktschweißung, ültraschallverbindung, Löten oder durch heiß angewendete Klebemittel oder auch sonstige übliche Verbindungsmittel verbunden, obgleich eine ausreichende Verbindung und selbsttragende Festigkeit zwischen den beiden Sammelplatten 10 und 16 auch schon erreicht werden kann, wenn nur einige der Stützkörper 28 mit der Sammelplatte 10 verbunden werden. Im übrigen ist die weitere Sammelplatte 16 entlang ihren Rändern mit der äusseren Sammelplatte 10 fest verbunden, wobei diese Verbindung gemäß dem Ausführungsbeispiel (vgl. Fig. 2) aus einem die Aussenränder der äußeren Sammelplatte 10 umgreifenden Bördelrand 30 der weiteren Sammelplatte 16 besteht. Die Verbindung könnte aber auch in irgendeiner anderen, beispielsweise gleichen Wei-

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se erfolgen, wie zwischen den Stützkörpern 28 und der Sammelplatte 10.

Sowohl die äußere Sammelplatte 10 als auch die rückwärtige SammeIplatte 16 bestehen aus dünnen Aluminiumscheiben einer Dicke von etwa 0,15 mm und bilden nach der vorstehend beschriebenen gegenseitigen Verbindung eine selbsttragende Baugruppe, die hinreichend starr gegenüber solchen Biege- und Verwindungsbeanspruchungen ist, die bei einer praktischen Handhabung vorkommen könnten. Zugleich bilden die beiden Sammelplatten 10 und 16 zwischen sich einen genau bestimmten flachen Raum, in dem beim Betrieb eine laminare Luftströmung entsteht und trotz der aufgrund von Temperaturdifferenzen zwischen den beiden Platten auftretenden Materialspannungen beibehalten bleibt.

Der durch die mittlere Auswölbung des Hauptteiles 18 der Sammelplatte 16 gebildete Sammelraum 20 ist gemäß den Fig. 1 bis 3 durch eine den zweiten Teil der Sammelplatte 16 bildende mittlere Platte 32 gleicher Dicke verdeckt, die in ihrem Mittelbereich mit den Gewindebohrungen 26 der Bodenwand 22 fluchtende Durchtrittsöffnungen 34 und entlang der lotrechten Mittelebene der Solarzelle aufeinanderfolgende Auslaßöffnungen 36 für die zwischen den beiden Sammelplatten 10 und 16 erwärmte Luft aufweist. Diese Auslaßöffnungen weisen bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von 3 mm und einen gegenseitigen Abstand von 20 mm auf.

Der hinteren Form der rückwärtigen Sammelplatte 16 angepaßt ist die Oberfläche eines aus Isolierstoff bestehenden Tragkörpers 40, der bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine entlang der Mittelebene verlaufende Rechteckform aufweist und somit an seiner Oberseite zwei Sammelplatten nebeneinander aufnehmen kann. Der Isolierwerkstoff des Tragkörpers 40 kann aus aufgeschäumtem Kunststoff oder aus anderem Isolierstoff bestehen. Im vorliegenden Fall erschien es vor-

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teilhaft, hierfür einen Glasfaser-Formkörper geringer Dichte und damit eines entsprechend geringen Gewichtes zu wählen. Der Körper wird vorzugsweise aus einer Glasfasermatte mit kunststoffbeschichteten Glasfasern geformt, von dem der Kunststoff sich zunächst noch in einem nicht ausgehärteten Zustand, d.h. im sogenannten B-Zustand befindet. Wenn der Körper dann in erhitztem Zustand in die zugeordnete Form gepreßt wird, härtet der Kunststoff ganz aus und verleiht dem Tragkörper trotz einer gewissen Luftdurchlässigkeit eine gute Festigkeit und zugleich gute Isoliereigenschaften.

Der so hergestellte Tragkörper 40 besteht im wesentlichen aus einem in Richtung der Mittelebene verlaufenden Mittelteil, der in sich einen flachen, im Querschnitt rechteckigen Abführkanal 42 für die in den einzelnen Solarzellen erhitzte Luft bildet. Dabei ist der Abführkanal 42 mit einer Aluminiumfolie 44 oder mit einem ähnlichen Dichtmaterial ausgekleidet, wodurch Leckverluste und etwaige Erosionen aus dem Glasfasermaterial vermieden werden. Zur Zuführung der erhitzten Luft in den Abführkanal 42 dient je Sammelplattenaggregat ein oberer Einlaßkanal 46, der oben jeweils an eine Auslaßöffnung 24 der Bodenwand 22 der Sammelplatte 16 anschließt. Dabei kann der Tragkörper 40 als ein zusammenhängender Teil oder aber aus Fertigungsgründen, z.B. zur Herabsetzung der Bearbeitungsoder Einrichtungskosten aus mehreren Teilen hergestellt sein.

Das durch die äußere Sammelplatte 10 und die weitere Sammelplatte 16 gebildete Sammelplattenaggregat ist am Tragkörper 40 lediglich durch eine mittlere Stützkonstruktion festgehalten. Nachdem der Tragkörper 40 dem muldenfrömig nach unten ausgewölbten Mittelteil des Hauptteiles 18 der Sammelplatte 16 angepaßt ist, bedarf es keiner besonderen Lagesicherung des Sammelplattenaggregates gegenüber dem Tragkörper 40, so daß die Stützkonstruktion an sich sehr unterschiedlich ausgebildet sein kann. Im Hinblick auf die dünne Wandstärke der

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Sairanelplatten 10 und 16 hat es sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als zweckmäßig ergeben, zwischen der Bodenwand 22, der mittleren Platte 32 der Sammelplatte 16 und der äußeren Sammelplatte 10 Abstandshülsen 48 und 49 vorzusehen, die jeweils gemeinsam von einer das Sammelplattenaggregat von außen her bis in den Tragkörper 40 hinein durchsetzenden Kopfschraube 50 durchsetzt sind. Statt gesonderter Abstandshülsen können diese Hülsen gegebenenfalls auch aus tiefgezogenen Teilen der Sammelplatte 10 bzw. der Bodenwand 22 und der mittleren Platte 32 bestehen. Durch die Kopfschrauben 50, die in üblicher Weise selbstschneidend ausgebildet sein können, wird das Sammelplattenaggregat in Verbindung mit den Abstandshülsen 48 und 49 nicht nur starr zusammengehalten, sondern auch sicher, aber doch lösbar am Tragkörper 40 festgelegt.

Gemäß Fig. 1 ist an der Ausmündungsstelle des den Tragkörper 40 durchsetzenden Abführkanals 42 eine Kupplungsmuffe 52 vorgesehen, mittels welcher die Tragkörper 40 in Längsrichtung der Abführkanäle 42 aufeinanderfolgender Solarzelleneinheiten fluchtend zusammengesteckt werden können. Am austrittsseitigen Ende der aufeinanderfolgenden Abführkanäle 42 ist dann gemäß Fig. 1 ein lediglich schematisch angedeuteter Lüfter 54 vorgesehen, mittels welchem die Luft durch die Abführkanäle 42 und durch einen in Fig. 1 lediglich strichpunktiert angedeuteten Wärmetauscher 68 gefördert wird. Schließlich kann jede der in Fig. 1 veranschaulichten Reihen von Solarzellen auf einer unteren (nicht dargestellten) Tragkonstruktion gehalten sein, die aus einem ebenen, gegebenenfalls gitterförmigen Rahmen oder einfach aus Rohren oder Stangen bestehen kann, die die ganze Solarzellenreihe in der gewünschten, Sonnenstrahlung aufnehmenden Lage hält.

In der Regel sind die Solarzellen in der in Fig. 1 ange-

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deuteten Weise hinter einer durchsichtigen Deckscheibe 56 angeordnet, wobei die auftreffende Strahlung noch durch eine seitliche Reflektorplatte 58 verstärkt werden kann. In Fig. 1 sind die Deckscheibe 56 und die Reflektorplatte 58 lediglich schematisch angedeutet, da die beschriebenen Solarzellen in einem ganz beliebigen Zusammenhang, der nachstehend noch beispielsweise erläutert wird, verwendet werden können. Im vorliegenden Fall ist angenommen, daß die durchsichtige Deckscheibe 56 aus einer großen Glasscheibe oder Glaswand selbsttragender Konstruktion besteht, während die Sammelplatten 10 in üblicher Weise derart relativ zur Deckscheibe 56 angeordnet sind, daß ein maximaler Strahlungseinfall erzielt wird.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Solarzellen weisen in ihrer Konstruktion und Funktion gegenüber den bisher üblichen Solarzellen wesentliche Vorteile auf. Durch die lediglich mittlere Festlegung der einzelnen Sammelplattenaggregate am Tragkörper 40 und den engen Hauptströmungskanal zwischen den beiden Sammelplatten 10 und 16, durch den die Luftströmung in den Mittelbereich jeder Solarzelle geführt wird, bleiben diese Aggregate frei von jeglichen Ausdehnungsproblemen, die bei den bekannten Solarzellen leicht zu Materialspannungen und Materialverwerfungen führen können. Die durch die Einlaßöffnungen 12 einströmende Kaltluft gelangt in den Hauptströmungskanal zwischen den Sammelplatten 10 und 16 und strömt von beiden Seiten her aufeinander zu in den Bereich der Mittelebene der Solarzelle. Zur womöglichen Vermeidung von Verlusten durch über die Sammelplatte 10 in einer Sekundärströmung hinwegströmende, ebenfalls aufgewärmte Luft dienen die über die Sammelplatte 10 verteilt angeordneten Beipaß-Einlaßöffnungen 14, da nunmehr die aufgewärmte Luft der Sekundärströmung durch die Beipaß-Einlaßöffnungen 14 der Hauptströmung zwischen den beiden Sammelplatten 10 und 16 zugeführt werden kann. Die laminare Hauptströmung erwärmter Luft gelangt durch die Auslaß-Öffnungen 36 der mittleren Platte 32 in den Sammelraum 20 und

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daraufhin durch die zentrale Auslaßöffnung 24 und den anschließenden kurzen Einlaßkanal 46 in den Abführkanal 42, woraus folgt, daß die gesamte Luftströmung mit nur minimalen Strömungswiderstanden und damit außergewöhnlich geringen Druckverlusten erfolgt, so daß zur gewünschten Luftbewegung durch eine ganze Gruppe von Solarzellen nur eine minimale Antriebsenergie für den Lüfter 54 benötigt wird. So beträgt die erforderliche Antriebsleistung für einen Lüfter 54, der die Luft durch ein ganzes übliches Feld von 32 Solarzellen fördert, lediglich weniger als 10 Watt.

Obgleich die rückwärtige Sammelplatte 16 beim Betrieb der Solarzelle etwa 10° C kühler als die äußere Sammelplatte 10 bleibt, hält das Sammelplattenaggregat dank der die beiden Platten verbindenden Stützkörper 28 allen temperaturbedingten Spannungen stand. Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt die gesamte Metallmasse eines Sammelplattenaggregates weniger als 300 g, während die isolierende Tragkörperkonstruktion weniger als 1 kg wiegt, womit die einzelnen Solarzellen und sogar ganze Gruppen von Solarzellen ohne weiteres von einer einzigen Person getragen und gehandhabt werden können. Die dünnen Aluminiumplatten brauchen nicht unbedingt eine erste Qualität aufzuweisen, da kleine vorhandene Löcher ohne nennenswerte Nachteile hingenommen werden können. Es ergeben sich also für die Beschaffung der Sammelplatten nur äußerst geringe Kosten. Trotzdem werden hohe Leistungscharakteristiken erreicht, weil der Luftstrom im genau bemessenen Hauptströmungskanal unter der Sammelplatte 10 eine sehr wirksame Wärmeabgabe an die Luft ergibt, die als Warmluft dem isolierten Abführkanal 42 zuströmt. Es lassen sich mit solchen Solarzellen Temperaturunterschiede zwischen der Luft und der Tragkörperkonstruktion von über 120° C erreichen, wobei die Zellen sehr schnell (in weniger als einer min) mit hohem Wirkungsgrad auf einfallende Sonnenstrahlung ansprechen.

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Die kleinen und kompakten Solarzellen einer Fläche von

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beispielsweise nur 0,25 bis 1,0 m können, wie anhand des Ausführungsbeispiels veranschaulicht wurde, unabhängig von einer Glas- oder sonstigen transparenten Deckscheibe ange-5 ordnet und benutzt werden. Infolge der einfachen Kuppelbarkeit aufeinanderfolgender Solarzellen können diese in praktisch beliebig großen waagerechten oder senkrechten Reihen mit oder auch ohne einen nennenswerten gegenseitigen Abstand nebeneinander angeordnet werden. Das System erlaubt damit nicht nur eine beliebige Anpassung an bauliche Gegebenheiten, sondern kann beispielsweise im Bereich eines Fensters auch so angeordnet werden, daß zwischen den einzelnen Reihen noch mehr oder weniger Licht in den mit dem Fenster versehenen Raum einfallen kann. Einfache Glasscheiben, Doppelscheiben oder auch andere für Sonnenstrahlung durchlässige Abdeckungen können verwendet werden, wobei die Abdeckungen unabhängig vom Solarzellensystem oder aber auch an den Tragkörpern des Systems gehalten sein können. Dabei eignen sich die Solarzellen insbesondere zu einer Anordnung hinter senkrechten Glasscheiben oder Fenstern und der Wirkungsgrad der Sammlung von Solarenergie kann durch die zusätzliche Anwendung von Reflektorplatten noch wesentlich erhöht werden. Besonders vorteilhaft ist eine solche Anwendung von Reflektorplatten beispielsweise in nördlichen Breitengraden, wo die Sonne in den Wintermonaten lediglich in einem spitzen Winkel einfällt, weil der Anteil der den Solarzellen zugeführten Sonnenstrahlung durch entsprechend geneigt angeordnete Reflektorplatten erheblich erhöht werden kann.

Die Möglichkeit, durch die Sonnenstrahlung zunächst lediglieh Luft aufzuheizen, die dann erst gesammelt und einem Wärmetauscher zugeführt wird, in welchem die gesammelte Wärmeenergie beispielsweise einem Wasserkreislauf zugeführt wird, bietet zusätzlich zu den vorgenannten Vorteilen geringer Herstellungskosten und des geringen Gewichtes der einzelnen Solarzellen

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weitere Vorteile. Sofern an irgendeiner Stelle einer Solarzelle Beschädigungen oder sonstige Mängel auftreten sollten, so können diese sich lediglich in einer entsprechend geringeren Wärmeaufnahme der von dieser Zelle gelieferten Luft auswirken, weil die Wärmeaufnahme der übrigen benachbarten Solarzellen dadurch praktisch nicht beeinflußt werden kann. Nennenswerte Beeinträchtigungen, wie sie bei unmittelbar mit Wasser arbeitenden Solarzellen möglich sind, bleiben ausgeschlossen. Selbst während längerer Zeiträume ohne jede Sonneneinstrahlung besteht keine Gefahr des Einfrierens von für die richtige Arbeit der Solarzellen wesentlichen Teilen.

Die in Fig. 4 schematisch veranschaulxchte Anlage stellt ein typisches Beispiel für eine praktische Ausführung einer Anlage mit den vorstehend beschriebenen Solarzellen dar. Verschiedene Reihen voneinander unabhängiger Solarzellen sind unterhalb eines von ihnen unabhängigen Rahmens 60 mit im gegenseitigen Abstand verlaufenden Querrinnen 62 angeordnet, wobei in den durch den Rahmen 60 und die Querrinnen 62 gebildeten Feldern jeweils eine Glasscheibe 64 entsprechender Abmessung, beispielsweise von 1,2 χ 2,4 m gehalten ist. Unter dem Rahmen 60 sind in vier benachbarten Reihen insgesamt 32 Solarzellen angeordnet, die die in ihnen aufgeheizte Luft alle in eine gemeinsame Sammelleitung 66 abgeben, die ihrerseits mit der einen Seite eines unterhalb der Solarzellen angeordneten Gegenstrom-Wärmetauschers 68 verbunden ist. Im Wärmetauscher wird die Luft im Gegenstrom mit von der anderen Seite her zugeführtem Wasser in gleichem Maße abgekühlt, wie das Wasser erwärmt wird. Die im Wärmetauscher 68 abgekühlte Luft wird von einem anschließend vorgesehenen Lüfter 54, gegebenenfalls mit einem nachgeschalteten Filter, abgesaugt und anschließend in einem Kreislauf den Solarzellen erneut zugeführt. Das im Wärmetauscher 68 aufgeheizte Wasser gelangt anschließend in nicht besonders dargestellter Weise in einen isolierten Speicherbe-

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hälter oder gewünschtenfalls unmittelbar zu den vorgesehenen Verbrauchsstellen. Sofern der Wärmetauscher nicht unmittelbar an einem der Wärmeeinstrahlung ausgesetzten Platz angeordnet wird, stellt er das einzige Teil der Anlage dar, welches gegen die Gefahr eines Einfrierens des in ihm befindlichen Wassers isoliert werden muß. Bei der beschriebenen Anordnung des Wärmetauschers 68 unmittelbar unterhalb der Solarzellen und damit unterhalb von deren aus Isolierstoff bestehenden Tragkörpern 40 ergibt sich die erforderliche Isolierung an der Oberseite des Wärmetauschers 68 bereits von selbst.

In einigen Fällen mag es erwünscht sein, die Winkellage der Sammelplatten gegenüber der Einstrahlungsrichtung der Sonnenstrahlen zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades einstellen zu können, sei es mit Bezug auf die Einfallsrichtung der Strahlung an einem bestimmten Tag oder in bezug auf eine durchschnittliche Einfallsrichtung der Strahlung über ein ganzes Jahr. Zur Ermöglichung einer solchen Einstellung bedarf es lediglich eines ausreichenden Abstandes der Solarzellen von der durchsichtigen Abdeckung und deren entsprechende Anordnung an drehbaren Haltern, die keinen Verlust an Warmluft verursachen. Die Sammelplatten können dann von Hand oder auch motorisch, gegebenenfalls aufgrund einer selbsttätigen Regelung um eine senkrechte oder waagerechte Achse im Sinne einer Änderung ihres Seiten- oder Höhenwinkels gedreht werden.

Der geringe Druckabfall, der bei einem ganzen Feld von Solarzellen lediglich im Bereich von 50 bis 100 Pascal liegt, stellt einen weiteren beträchtlichen Vorteil des beschriebenen Systems dar. Bei einem Druckabfall von 80 Pascal in einer einzelnen Solarzelle beträgt der gesamte Druckabfall bei einem System mit 32 in vier Reihen angeordneten Solarzellen lediglich etwa 100 Pascal, was die Verwendung eines kleinen billi-

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gen Lüfters ermöglicht.

Ein weiteres Beispiel der Anpassungsfähigkeit der beschriebenen Konstruktion zeigt Fig* 5, gemäß der eine Anzahl Solarzellen gemeinsam unterhalb einer Außenscheibe 70 aus Glas angeordnet ist, die in einem Rahmen 72 gehalten ist. Jede einzelne Solarzelle weist dicht oberhalb ihrer äußeren Sammelplätte 10 eine Deckscheibe 74 auf, die an zusätzlichen Stützen 76 des Tragkörpers 40 gehalten ist. Kaltluft kann trotzdem entweder zwischen den Stützen 76 vorbei oder durch Ausnehmungen derselben zu Einlaßöffnungen 12" gelangen, die sich entlang gegenüberliegenden Seitenrändern der weiteren Sammelplatte 16 befinden und dem Lufteinlaß in den Hauptströmungskanal dienen. Die Deckscheiben 74 bestehen aus dünnen Teflonscheiben, die für die Strahlung durchlässig und außerdem mit einer Vielzahl kleiner Löcher perforiert sind. Infolgedessen kann die Kaltluft auch unmittelbar durch die Deckscheiben 74 zu den Beipaß-Einlaßöffnungen 14 der Sammelplatten 10 gelangen. Zu beachten ist, daß eine solche Halterung den einzelnen Solarzellen zugeordneter Deckscheiben 74 unabhängig von den Sammelplatten 10 und 16 ist. Im übrigen braucht die Deckscheibe 74 nicht aus Glas zu bestehen und kann so angeordnet werden, daß der gesamte Beipaß-Luftstrom von ihr her geliefert wird. Im Umfangsbereich der Sammelplatte 10 ist die Luft noch verhältnismäßig kalt, weil sie noch nicht über die von der Sonnenstrahlung erwärmte Oberfläche der Sammelplatte 10 gestrichen ist. Die über den isolierenden Tragkörper 40 hinausragenden gegenüberliegenden Ränder der Sammelplatte 16 brauchen deshalb nicht besonders isoliert zu werden. Trotzdem könnten die Einlaßöffnungen aber auch oberhalb der äußeren Sammelplatte 10 vorgesehen sein. Gewünschtenfalls kann die Deckscheibe 74 entlang ihrem Umfang auch gegenüber der Sammelplatte 10 abgedichtet werden, um dadurch Leckverluste an Warmluft an dieser Stelle zu vermeiden.

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Der Abstand der Deckscheibe 74 von der Sammelplatte 10 beträgt vorzugsweise 5 bis 15 mm und die Deckscheibe 74 kann statt aus Teflon auch aus einer anderen dünnen Kunststofffolie oder aber auch aus Glas gewählt werden, obgleich im letzteren Falle eine entsprechende Gewichtsvergrößerung der Solarzelle in Kauf zu nehmen ist. Anderseits ist es auch möglich, im Rahmen 72 statt einer Glasscheibe eine geeignete dünne Kunststoffolie zu spannen. Gewünschtenfalls könnten auch mehrere Außenscheiben und/oder mehrere Deckscheiben vorgesehen sein.

Bei dem in Fig. 6 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel weist die Solarzelle die Sammelplatte 10 in gleicher Anordnung wie bei den früheren Ausführungsbeispielen auf, dagegen ist die Konstruktion des Tragkörpers und des Abführkanals geändert.

Wie ersichtlich, ist ein Abführrohr 80 für die Warmluft an einer Grundplatte 82 unter Zwischenlage einer oder mehrerer Isolationsschichten gehalten. An seinem inneren, dem (nicht sichtbaren) Sammelraum zugekehrten Ende ist das Abführrohr 80 an der Stelle der Auslaßöffnung 24 des Sammelraumes an einem Ansatz 84 einer Platte 86 gehalten, die über eine Stütze 88 an der Grundplatte 82 festgelegt ist. Im übrigen weist die Platte 86 um die Auslaßöffnung 24 herum die bereits im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Gewindebohrungen auf, in die die Kopfschrauben 50 zur zentralen HaI-terung der Sammelplatten 10 und 16 eingeschraubt sind. In dem zwischen der Grundplatte 82 und der Unterseite der Sammelplatte 16 befindlichen Raum befindet sich zunächst eine untere Schicht 90 aus aufgeschäumtem Kunststoff und darüber eine Schicht 92 aus Glasfasern, die dem unteren Verlauf der Sammelplatte 16 angepaßt ist und das Abführrohr 80 umfaßt. Auch bei dieser Konstruktion bleibt das Prinzip gewahrt, daß das ganze Sammelplattenaggregat lediglich zentral gehalten ist und somit eine weitgehend freie Ausdehnungsmöglichkeit besitzt, obgleich das Abführrohr 80 in unmittelbarer Nähe unterhalb der

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Sammelplatten anschließt.

Selbstverständlich könnte das Abführrohr 80 statt des dargestellten runden Querschnitts auch einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und braucht nicht in Längsrichtung des Sammelraumes und der Mittelebene der Solarzelle zu verlaufen. Es könnte beispielsweise auch um 90 gedreht und damit quer zur genannten Mittelebene verlaufen. Zu diesem Zweck braucht gemäß Fig. 6 lediglich die Stütze 88 um 90° verdreht montiert zu werden. Bei der Anordnung gemäß den Fig. 1 bis 3 würde im letztgenannten Falle zur Isolierung des Abführrohres 80 eine andere Ausbildung des Tragkörpers 40 oder eine gesonderte Isolierung, beispielsweise im Zusammenhang mit einer Grundplatte, erforderlich sein. Schließlich könnte bei der in Fig. 6 dargestellten Verbindung des Abführrohres 80 mit dem Sammelpiattenaggregat auch auf die Anordnung einer zusätzlichen Stütze verzichtet werden, da das einerseits bereits am Sammelplattenaggregat festgelegte Abführrohr 80 in den isolierenden Schichten 90 und 92 einen genügenden weiteren Halt finden kann.

Patentansprüche 909823/0 7 75

Claims (1)

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   1.12.1978-SSe(5* 190-1522P

   Patentansprüche

   f1 ο ,/Solarzelle in Plattenform mit einer dünnen, an ihrer Außenseite der Strahlungsaufnahme dienenden sowie beiderseits durch Luft beaufschlagbaren Sammelplatte, die über einem Tragkörper angeordnet ist, der in seinem Mittelbereich zugleich einen Abführkanal für erwärmte Luft nach einem Wärmetauscher hin bildet, dadurch gekennzeichnet, daß dicht hinter der Sammelplatte (10) noch eine weitere Sammelplatte (16) vorgesehen ist, hinter deren Mittelbereich noch vor dem Abführkanal (42) ein sowohl mit dem zwischen den beiden Sammelplatten (10, 16) gebildeten Hauptströmungskanal als auch mit dem Abführkanal (42) in Verbindung stehender Sammelraum (20) vorgesehen ist, und dadurch, daß die beiden Sammelplatten (10, 16) am Tragkörper (40) lediglich über im Bereich des Sammelraumes (20) vorgesehene mittlere Stützen (48, 49, 50) festgelegt sind.

   2ο Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelraum (20) durch eine zugleich einen Bestandteil von ihm bildende mittlere Platte (32) der zweiteilig ausgebildeten weiteren Sammelplatte (16) verdeckt ist und die mittlere Platte (32) eine in den Sammelraum (20) führende Auslaßöffnung (36) aufweist.

   3ο Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die mittlere Platte (32) beiderseits anschließende Seitenteile

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   (19) des Hauptteiles (18) der weiteren Sammelplatte (16) über eine nach unten ausgewölbte Bodenwand (22) des Sammelraumes

   (20) einstückig miteinander verbunden sind.

   4. Solarzellenach einem der vorhergehenden Ansprüche, da-

   durch gekennzeichnet, daß die weitere Sammelplatte (16) Stützkörper (28) für die davor befindliche äußere Sammelplatte (10) aufweist.

   5. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in an sich bekannter Weise rechtwinklig ausgebildete und mit zwei gegenüberliegenden Seitenrändern parallel zu dem entlang einer Mittelebene geführten Abführkanal (42) verlaufende äußere Sammelplatte (10) im Bereich ihrer beiden Seitenränder verteilt in den Hauptströmungskanal ausmündende Einlaßöffnungen (12) für die Luft aufweist und der Sammelraum (20) entlang der Mittelebene verläuft.

   6. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Sammelplatte (16) entlang ihren Rändern mit der äußeren Sammelplatte (10) verbunden ist.

   7. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Sammelplatte (10) eine Oberfläche mit niedrigem Wärme-Reflexionsvermögen aufweist.

   8. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mittleren Stützen (48, 49, 50) zugleich Abstandsglieder (Hülsen 49) zwischen den beiden Sammelplatten (10, 16) bilden.

   9. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (40) aus einem Isolierstoff besteht, den Sammelraum (20) und die beiden Seiten-

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   teile (19) der weiteren Sammelplatte (16) flächig untergreift und beiderseits seines sowohl den Sammelraum (20) als auch den Abführkanal (42) einschließenden Mittelteiles jeweils eine schräg nach außen oben verlaufende Bodenwand aufweist.

   10. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abführkanal (42) gegenüber dem Tragkörper (40) von einer Isolierschicht (44) umkleidet ist.

   11. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei benachbarten Sammelplattengruppen (10, 16) ein gemeinsamer, entsprechend langgestreckter Tragkörper (40) zugeordnet ist.

   12. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Ausmündungsstelle des den Tragkörper (40) ganz durchsetzenden Abführkanals (42) eine Kupplungsmuffe (52) zur dortigen Zusammenkupplung mit dem Abführkanal (42) einer anschließenden gleichartigen Solarzelle vorgesehen ist.

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