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Dokumentenidentifikation DE19809883A1 09.09.1999
Titel Solarer Hybridkollektor zur kombinierbaren Strom- und Wärmeerzeugung und ein Verfahren zu seiner Herstellung
Anmelder SolarWerk GmbH, 14513 Teltow, DE
DE-Anmeldedatum 07.03.1998
DE-Aktenzeichen 19809883
Offenlegungstag 09.09.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.09.1999
IPC-Hauptklasse H01L 31/058
IPC-Nebenklasse H01L 31/048   F24J 2/46   H01L 31/052   
Zusammenfassung Solare Hybridkollektoren sind Doppelkollektoren, die sowohl für die photovoltaische als auch für die thermische Sonnenenergienutzung unter erhöhbarem Gesamtwirkungsgrads geeignet sind. Bekannte Hybridkollektoren arbeiten allgemein mit weniger guten Wirkungsgraden und haben oftmals eine geringere Langzeitstabilität. Ursache dafür sind die zu stellenden hohen Anforderungen. Es muß bei thermischer Kapselung des elektrischen Teils gegen Feuchtigkeit eine gute thermische Kopplung ohne jede elektrische Kopplung zum thermischen Kollektor gewährleistet sein. Deshalb ist der erfindungsgemäße solare Hybridkollektor (1) als kompakter Laminatkörper (2) ausgebildet, bei dem die Abdeckschicht (8) als feuchtigkeitssperrende Schicht (9) ausgebildet ist und zwischen allen Schichten verklebende Kunststoffschichten (10, 12, 16) angeordnet sind. Dadurch ist der erfindungsgemäße Hybridkollektor (1) thermisch gekapselt, witterungsbeständig und langzeitstabil. Bevorzugt werden zur Ausführung der einzelnen Schichten verschiedene Folien (9, 11, 13, 15, 17) verwendet. Ein Herstellungsverfahren solcher Hybridkollektoren (1) in Laminataufbau besteht jeweils aus einem einzigen Vorfertigungs- und Prozeßschritt. Einsatzbar ist der erfindungsgemäße Hybridkollektor (1) in allen Bereichen, in denen eine kombinierte Sonnenenergieumsetzung erwünscht ist, insbesondere im häuslichen Bereich.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen solaren Hybridkollektor zur kombinierbaren Strom- und Wärmegewinnung mittels stromerzeugender Bauelemente und einem wärmeableitenden Fluidsystem mit einer transparenten Abdeckschicht auf den stromerzeugenden Bauelementen und einer verklebenden, aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehenden sowie einer elektrisch isolierenden Kunststoffschicht zwischen den stromerzeugenden Bauelementen und dem Fluidsystem.

Das Anwendungsgebiet liegt in der Nutzbarmachung der auf der Erde auftreffenden Sonnenenergie durch ihre Umwandlung in Gebrauchsenergie in Form von elektrischer und thermischer Energie. Durch die Kombinationsmöglichkeit beider Umwandlungsarten mittels Hybridkollektoren als konstruktive Vereinigung von photovoltaischen und thermischen Kollektoren sind die auftretenden Verluste gering, der Wirkungsgrad ist entsprechend hoch, die Ausnutzung der Solarenergie besonders effizient.

Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wird beschrieben in der Offenlegungsschrift DE 42 22 806 A1. In dieser Druckschrift wird ein Hybridkollektor mit Solarzellen und einem Plattenwärmetauscher offenbart, die beide durch eine Schrumpffolie als Abdeckfolie zusammengehalten werden. Dazu wird die Schrumpffolie bis in den weichplastischen Zustand erwärmt und dann in heißem Zustand über die Solarzellen und die Seitenkanten des untergelegten Plattenwärmetauschers bis zu seiner Unterseite geschlagen. Bei der Abkühlung schrumpft und versteift die Folie. Da durch die Folie nur im Kantenbereich des Wärmetauschers eine ausreichende Haltekraft erzeugt werden kann, sind die Solarzellen und der Wärmetauscher zusätzlich miteinander klebeverbunden. Die Klebeschicht besteht aus einem Glasfasergitter mit eingebrachtem granuliertem Kunststoff, der zum Aufschmelzen wärmebehandelt werden muß. Die Klebung erfolgt maschenartig zwischen einzelnen Solarzellen. Zur elektrischen Isolation der Solarzellen ist eine Kunststoffschicht in Form eines Plattenteils vorgesehen. Dieses Plattenteil liegt auf dem Wärmetauscher auf und wird durch die von der Schrumpffolie aufgebrachte Kraft mit diesem verbunden. Die gleichzeitig als Abdeckfolie eingesetzte Schrumpffolie besteht aus einem kaltstreckbaren, thermoplastischen Kunststoff, der im allgemeinen eine Feuchtigkeitsdiffusion zuläßt. Beschädigte Solarzellen, beispielsweise durch Einfluß von Feuchtigkeit, sollen bei dem bekannten Hybridkollektor nach entsprechendem Aufschneiden der Folie ausgetauscht werden.

Aus der Patentschrift DE 29 50 274 C2 ist ein weiterer Hybridkollektor bekannt bei dem die Abdeckschicht aus einer Silikonvergußmasse besteht. Da auch diese dampfdurchlässig ist, wird der gesamte Kollektor zum Schutz vor Feuchtigkeit in eine hermetisch abgeschlossenes, evakuiertes Gehäuse eingebaut. Außerdem wird die durch lässige Silikonschicht so dünn ausgeführt, daß eine für den Austausch fehlerhafter Zellen erforderliche elektrische Messung im vergossenen Zustand durchgeführt werden kann. Bei diesem Hybridkollektor werden die Solarzellen unter Verwendung eines wärmeleitfähigen Epoxidharzes mit Beimengung von Aluminiumpulver auf ein aus Kupfer bestehendes Kühlgehäuse aufgeklebt. Dadurch wird zwar eine befriedigende thermische Ankopplung erreicht, doch kann bei Verwendung des metallischen Kühlsystems nicht ausreichend sichergestellt werden, daß es zu keinem lokalen Kurzschluß zwischen der Rückseite der Solarzellen und dem Fluidsystem kommt.

In der europäischen Patentanmeldung EP 0 788 171 A2 werden Solarzellen in einem Gehäuse mit Fenster beschrieben, an deren Unterseite eine mit Kunstharz angeklebte Verstärkungsplatte angeklebt ist. An dieser wird über Gehäuseein- und -ausgänge ein Fluid, insbesondere Luft, vorbeigeführt. Mit einem so gestalteten Hybridsystem kann die erwärmte Luft für eine Luftheizung genutzt werden. Zur Verbesserung der Wärmeisolation nach oben weist die Solarzelle an ihrer Oberseite eine dicke Füllschicht aus einem Ethylen-Vinyl- Acetat (EVA)-Kopolymer auf. Als Schutzfilm wird zwar feuchtigkeitsdurchlässiges Acrylsilikon verwendet, das Kopolymer EVA ist jedoch besonders witterungsbeständig und wirkt feuchtigkeitssperrend. Zur Isolation zwischen den Solarzellen und der Verstärkungsplatte, die mit einem Dunkelfarbenüberzug versehen ist, wird eine dünne Füllschicht EVA mit einer guten Wärmeleitfähigkeit verwendet. Bei der Herstellung des Solarmoduls werden Schichtpakete aus Solarzellen, verschiedenen Laminaten, insbesondere Kunstharzlaminate und EVA-Füllaminate, und der Verstärkungsplatte vorbereitet und anschließend in einem Vakuum-Laminator behandelt. Dabei schmilzt das EVA und bewirkt eine Verklebung zwischen den Kunstharzschichten. Eine gleichzeitige Laminierung des so entstandenen Solarzellenmoduls an den Wärmetauscherkasten erfolgt dabei jedoch nicht. Diese werden durch einfaches doppelseitiges Klebeband miteinander verbunden.

Ein Laminatverfahren, bei dem der Wärmetauscher zur Herstellung eines Hybridkollektors mit unregelmäßiger Formgebung direkt mitlaminiert wird, ist aus der Offenlegungsschrift DE 05 44 24 801 A1 bekannt. Dieses ist jedoch mehrstufig und umfaßt mehrere getrennte Schritte, bei denen jeweils nach dem Aushärten der vorangehenden Schicht ein neuer Schichtenauftrag aus Kunstharz durchgeführt wird. Bei diesem Hybridkollektor ist der Wärmetauscher kein eigenständiges Bauelement, sondern wird in eine glasfaserverstärkte Kunstharzschicht integriert. Das Fluidsystem befindet sich also in Hohlräumen im Kunstharz, die an ihrer Unterseite zur Wärmeisolation mit einer schwarzen Folie und einer Isolierplatte versehen sind. Die elektrische Isolation der Solarzellen erfolgt ebenfalls über entsprechende Kunstharzschichten.

Die europäische Patentanmeldung EP 0 755 079 A2 offenbart eine Solarzelle die einen speziellen Oberflächenschutz aus transparentem Kunstharz mit ausschließlich gebundenen Silanverbindungen aufweist. Dazu zählt auch die Gruppe der Ethylen-Vinylacetat-Kopolymeren (EVA). Dadurch wird die Solarzelle langzeitstabil und unempfindlich gegenüber Temperatur- und Feuchtigkeitseinflüssen. Eine elektrische Isolation ist ebenfalls möglich. Ein Hinweis auf eine Kombination der Solarzelle mit einem Wärmetauscher als Hybridlösung wird nicht gegeben. Bei der Herstellung des Solarmoduls werden vorgefertigte Schichtpakete aus verschiedenen Laminaten, darunter auch EVA- Laminate, in einem Vakuum-Laminator in einem einzigen Prozeßschritt behandelt. In dieser Druckschrift wird eine ausführliche Übersicht der für den Laminatkörper verwendbaren Kunststoffe nach Unterscheidung ihrer speziellen Eigenschaften gegeben. Dabei wird auf die besondere Bedeutung von EVA aus der Gruppe der thermoplastischen Kunststoffe, zu der auch Polyvinyl Butyral (PVB) gehört, mit einer hohen Transparenz, guter Witterungs- und Hitzebeständigkeit, hoher Klebkraft als Bindemittel in Laminaten und relevanter Kostengünstigkeit hingewiesen. Daneben gibt es beispielsweise hochtransparente Fluorokunststoffe, die ebenfalls witterungsbeständig und auch mechanisch belastbar sind. Andere Kunststoffe, beispielsweise Polyethylen Terephthalat (PET) wirken elektrisch isolierend. Eine laminierte Poly-Vinyl- Fluorid-Folie (Markenname TEDLAR) kann sowohl hochtransparent als auch schwarz zur elektrischen Isolation ausgeführt sein.

Nach diesem Überblick über den Stand der Technik kann zusammenfassend ausgeführt werden, daß es eine oftmals beschriebene Technik zum Bau eines Hybridkollektors ist, die Solarzellen mittels eines gut wärmeleitenden Klebers beispielsweise mit Epoxidharz, Kunstharz oder Silikonklebstoff, zunächst auf das Fluidsystem aufzukleben. Hierbei ist jedoch nicht immer sichergestellt, daß keine lokalen Kurzschlüsse an der Rückseite der Solarzellen auftreten können. Außerdem ist noch keine vorderseitige Abdeckung der Solarzellen erreicht. Zu diesem Zweck wird oftmals vorgeschlagen, eine hochtransparente Silikonvergußmasse, wie sie beim Vergießen von elektronischen Bauelementen üblich ist, in einem weiteren Verfahrensschritt zu verwenden. Dabei ist jedoch zu beachten, daß Silikon eine hohe Feuchtigkeitsdiffusion zuläßt. Probleme mit Korrosion an metallischen Teilen können auftreten. Deshalb schlagen einige Druckschriften Maßnahmen für einen leichten Austausch schadhaft gewordener Solarzellen vor.

Nach diesseitigem Kenntnisstand werden derzeit weltweit keine solaren Hybridkollektoren kommerziell angeboten. Diese kann auf mehrere technologische Probleme bei der Umsetzung der einzelnen Vorschläge zurückzuführen sein. Es müssen nämlich gleichzeitig mehrere Forderungen erfüllt werden:

  • 1. Es muß eine gute thermische Kopplung der stromerzeugenden Bauelemente zum Fluidsystem erreicht werden.
  • 2. Es muß eine elektrische Isolierung der stromerzeugenden Bauelemente von dem zumeist metallischen Fluidsystem erreicht werden.
  • 3. Es muß eine in Richtung der einfallenden Sonnenstrahlung hochtransparente, aber trotzdem feuchtigkeitsdichte Kapselung der Zellen erreicht werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Problematik ist im Hinblick auf den genannten Stand der Technik darin zu sehen, einen solaren Hybridkollektor der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die oben genannten Forderungen alle gleichzeitig zuverlässig erfüllt sind. Dabei soll der Hybridkollektor langzeitstabil sein und mit einem guten Wirkungsgrad arbeiten. Trotzdem ist die ökonomische Seite nicht zu vernachlässigen. Der Kollektor soll sowohl in der Herstellung und im Verkauf als auch im Betrieb und in der Wartung kostengünstige Eigenschaften aufweisen.

Als Teil der Lösung für diese Aufgabenstellung ist bei dem erfindungsgemäßen solaren Hybridkollektor deshalb vorgesehen, daß dieser als kompakter Laminatkörper ausgebildet ist, bei dem zwischen der transparenten Abdeckschicht, die als feuchtigkeitssperrende Schicht ausgebildet ist, und den stromerzeugenden Bauelementen sowie zwischen der elektrisch isolierenden Kunststoffschicht und dem Fluidsystem jeweils eine weitere verklebende Kunststoffschicht angeordnet ist.

Daneben ist als weiterer Lösungsteil für die Problematik bei einem Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen, als Laminatkörper ausgebildeten Hybridkollektors vorgesehen, daß dieser als Lamwichaufbau in einem einzigen Vorfertigungsschritt mit einer Schichtenfolge aus Abdeckschicht, oberer Klebeschicht, stromerzeugenden Bauelementen, mittlerer Klebeschicht elektrisch isolierender Schicht, unterer Klebeschicht und wärmeableitendem Fluidsystem vorgefertigt und anschließend in einem Vakuum-Laminator unter Druck- und Temperatureinfluß in einem einzigen Prozeßschritt zu einem unlösbaren Verbundkörper verschmolzen wird. Wie weiter unten ausgeführt eignen sich besonders durch Folien gebildete Schichten für die Laminationstechnik.

Wesentlich ist für die Erfindung die Art der Verklebung bei gleichzeitiger hermetischer Kapselung und elektrischer Isolierung der stromerzeugenden Bauelemente. Durch die mehrfache Zwischenfügung einer Klebeschicht aus einem thermoplastischen Kunststoff werden die einzelnen Bauelemente innig miteinander verbunden. Dadurch wird ein besonders guter Wärmekontakt zum Fluidsystem gewährleistet. Die elektrisch isolierende Schicht, die vollständig in Klebeschichten eingebettet ist, verhindert zuverlässig jede Kurzschlußbildung an der Rückseite der stromerzeugenden Bauelemente. Diese sind gleichzeitig durch die hermetische, d. h. dampfdichte Kapselung aufgrund einer ebenfalls in Klebeschichten vollständig eingebetteten feuchtigkeitssperrenden Schicht sicher vor eindringender Feuchtigkeit und damit vor Korrosion geschützt. Durch diese Maßnahmen wird ein besonders langzeitstabiles Produkt ermöglicht.

Zu den verbesserten Produkteigenschaften trägt auch die Art des Herstellungsverfahrens des Hybridkollektors bei. Durch den Einsatz der Laminationstechnik werden die Verbindungen und die hermetische Kapselung in einem einzigen Prozeßschritt hergestellt. Das Verfahren ist zwar technologisch etwas aufwendiger als herkömmliche Herstellungsverfahren von Hybridkollektoren, garantiert aber eine mechanisch und thermisch äußerst feste Verklebung zwischen den stromerzeugenden Bauelementen und dem Fluidsystem und damit optimale Produkteigenschaften. Dabei mindert das nur einmalige Durchfahren der Druck- und Temperaturschleife den Mehraufwand wieder. Die Vorbereitung des erfindungsgemäßen Laminat-Hybridkollektors erfolgt ebenfalls in einem einzigen Schritt. Alle Schichten können in erforderlicher und nahezu beliebiger Größe aufgebracht oder vorkonfektioniert sein und zu einem Lamwich mit den Bauelementen aufeinander geschichtet werden. Zwischenbehandlungen und Handhabungen hocherhitzter Schichten entfallen.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen solaren Hybridkollektors sieht vor daß die feuchtigkeitssperrende Schicht als Glasscheibe ausgeführt ist. Eine solche direkt aufgebrachte Glasscheibe ist ein zuverlässiger Schutz gegen Feuchtigkeit. Sie kann relativ dünn bemessen sein und ohne Probleme in das Lamwich eingefügt werden. Ihre Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Belastungen macht sie allerdings weniger geeignet als eine transparente Verbundfolie, die nach einer weiteren Ausgestaltung als Ausführung der feuchtigkeitssperrenden Schicht möglich ist. Eine Folie hat den Vorteil, elastisch auf mechanische Belastungen zu reagieren, so daß Beschädigungen selten eintreten. Insbesondere kann die hochtransparente Folie PTFE, PVF, ETFE oder ein Polycarbonat in Reinform oder als Verbundstoff aufweisen. Im Falle von PVF kann es sich dann um Folie mit dem Markennamen "TEDLAR" oder "ICOSOLAR", bei PTFE um eine solche mit dem Markennamen "TEFLON" und bei ETFE um eine Folie mit dem Markennamen "TEFZEL" handeln.

Die Einbeziehung verschiedener Folien mit unterschiedlichen Aufgaben in den Schichtkörper ist besonders günstig. Der gesamte Laminatkörper erhält so eine kompakte und sehr stabile Form. Dickere Lagen, wie beispielsweise ein Kunststoffplattenteil zur elektrischen Isolation, können vermieden werden, wenn gemäß einer weiteren Erfindungsausgestaltung die Isolationsfolie als schwarze Verbundfolie ausgeführt ist. Auch hierbei kann es sich um sogenannte "TEDLAR"-Folie handeln, allerdings nicht in hochtransparenter, sondern in lichtundurchlässiger Ausführungsform. Eine derartige Folie garantiert eine sichere elektrische Isolation an der Rückseite der stromerzeugenden Bauelemente und ist einfach verarbeitbar. Ebenso ist aber auch der Einsatz einer Folie aus Polyethylen-Terephthalat (PET) möglich.

Das wesentlich Neue an der vorliegenden Erfindung ist die Art der Verklebung bei gleichzeitiger Erfüllung unterschiedlicher physikalischer Anforderungen an den Laminatkörper. Dabei können die einzelnen Klebeschichten beispielsweise durch Aufbringen von gießfähigem oder granuliertem Kunststoff gebildet werden. Die Verwendung von Schmelzklebefolien bringt jedoch besondere Vorteile mit sich. Zum einen passen sie sich als Folien gut in den Laminatverbund ein und sind einfach einzubringen. Zum anderen sind sie für Herstellungsverfahren mittels der Laminationstechnik besonders geeignet. Derartige Folien aus thermoplastischen Kunststoff sind als Massenprodukt einfach und preiswert zu beziehen sowie problemlos zu konfektionieren. Deshalb ist es besonders vorteilhaft, wenn nach einer nächsten Fortführung der Erfindung alle Klebeschichten von Schmelzklebefolien gebildet sind, wobei der thermoplastische Kunststoff insbesondere auf den Kopolymeren Ethylen-Vinyl- Acetat (EVA) oder Poly-Vinyl-Butyral (PVB) basiert. Beide Kopolymere sind beispielsweise aus der Verbundglasherstellung bekannt und haben ausgezeichnete Eigenschaften. Sie sind hochtransparent, witterungs- und hitzebeständig und besitzen eine hohe Klebkraft, die sie bereits bei den moderaten Verarbeitungsbedingungen (mittlerer Pressdruck, Aufschmelzungstemperatur ca. 150°C) entwickeln. Sie sind damit optimal für die Herstellung des Laminats geeignet. Insbesondere verhindert die gute Witterungs- und Hitzebeständigkeit Alterungserscheinungen der Folie oder erhöhte Dampfdiffusion unter Einsatzbedingungen, so daß eine Beschädigung der stromerzeugenden Bauteile oder eine Verschlechterung der Effizienz des Hybridkollektors weitgehend ausgeschlossen werden können.

Die Umwandlung der Solarenergie in nutzbare elektrische Energie erfolgt durch die stromerzeugenden Bauelemente. Hierbei kann es sich gemäß einer Ausführungsform um thermo-elektrische Bauelemente handeln, beispielsweise in Form von metallischen Thermoelementen oder Halbleiter-Thermogeneratoren (z. B. BiTe). Bei einer weiteren Erfindungsausgestaltung sind jedoch bevorzugt photovoltaische Solarzellen vorgesehen. Diese sind in ihrer Technologie besonders ausgereift und einfach handhabbar. Bei den photovoltaischen Solarzellen kann es sich um die unterschiedlichsten bekannten Ausführungsformen handeln. Insbesondere kann es sich sowohl um polykristalline als auch um monokristalline Zellen aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial handeln. Außerdem kann die Solarzelle aus einer dünnen Schicht amorphen Siliziums oder einem anderen großflächig aufdampfbaren Solarzellenmaterial (z. B. CdTe, CIS) oder aus einem organischen Material ("Grätzel-Zelle") bestehen.

Bevorzugt ist nach einer Fortführung der Erfindung auch die vorteilhafte Vorfertigung mehrerer Solarzellen zu einem Modul. Hierbei ist eine einfache Lagerhaltung möglich. Die einzelnen Module sind bereits fertig verdrahtet und einsatzbereit. Sie bedecken größere Flächen als einzelne Solarzellen, so daß der Herstellungsprozeß des Hybridkollektors vereinfacht und beschleunigt werden kann. Die einzelnen Module können ebenfalls in Laminattechnik hergestellt sein. Sie sind dadurch gut geschützt und werden in den eigentlichen Laminatprozeß einfach integriert. Bevorzugt können gleiche Materialien eingesetzt werden. Eine bereits verschmolzene und ausgehärtete Folie bleibt bei einer erneuten Wärmebehandlung formstabil. Daneben ist beim Einsatz von Module die Positionierung der Solarzellen vereinfacht. Insbesondere können die einzelnen Module nach einer anderen Erfindungsfortführung mit Abstand zueinander auf dem Fluidsystem angeordnet sein. Die einzelnen Module sind durch die sie umgebenden Folien hermetisch abgeschlossen. Außerdem können die Bereiche der kombinierbaren Energieumsetzung gut festgelegt werden. Sie können sich beispielsweise auch mit Bereichen ohne Solarzellenmodule, also mit Bereichen reiner Wärmegewinnung, je nach Einsatzerfordernis abwechseln.

Das Fluidsystem verleiht dem Hybridkollektor die mechanische Stabilität und bildet die Grundlage für den Aufbau des Laminatkörpers. Für einen nahezu vollständigen Wärmeübergang muß es sich besonders gut durch den Schmelzkleber an die stromerzeugenden Bauelemente ankoppeln lassen. Einige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung haben die Ausgestaltung des Fluidsystems zum Gegenstand. Hierfür kann bevorzugt ein Plattenwärmetauscher vorgesehen sein. Dieser kann in vollflächig durchströmter Form als ebene Doppelstegplatte aus Metall oder aus Kunststoff oder als Wallnöfer-Absorber (IT) ausgeführt sein. Ebenso kann es sich bei dem Fluidsystem um einen Wärmetauscher mit einem Kunststoff-Rohrregister handeln. Daneben kann das Fluidsystem auch ein Metallblech aufweisen, an dessen Unterseite vom Fluid durchfließbare Rohre befestigt sind. Derartige Wärmetauscher sind besonders einfach herzustellen. Insbesondere kann die Befestigung der Rohre durch direkten Material- (Schweißen, Löten) oder Formschluß (integrierte Falz) oder durch an der Unterseite des Metallblechs angeordnete Halteklipse erfolgen. Die Montage und Wartung der Rohre kann so in besonders einfacher Weise erfolgen.

Die Ausnutzung und damit der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen solaren Hybridkollektors können noch weiter verbessert werden, wenn dieser thermisch isoliert aufgebaut ist. Dazu kann der Kollektor nach einer anderen Erfindungsfortführung in einem Gehäuse, welches insbesondere evakuierbar sein kann, mit einer lichtdurchlässigen Oberseite angeordnet sein. Diese kann von einer Glas- oder Kunststoffscheibe oder von einer Kunststoffolie gebildet sein. Durch diese Maßnahme ist der Hybridkollektor zusätzlich wirksam vor mechanischen Beschädigungen geschützt, und es wird eine erhöhte thermische Leistung durch den "Treibhauseffekt" erzielt. Gleiches erreicht man, wenn der Hybridkollektor gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung in einem evakuierten Glas- oder transparenten Kunststoffrohr angeordnet ist. Hierbei handelt es sich dann um einen Kollektor vom Typ "Vakuumröhrenkollektor".

Um an dieser Stelle Wiederholungen zu vermeiden, wird bezüglich der Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Hybridkollektors auf die entsprechenden Ausführungen im speziellen Beschreibungsteil verwiesen.

Ausbildungsformen der Erfindung werden zur weiteren Verdeutlichung der Erfindungsidee nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei sind die Maßstäbe zur besseren Darstellung teilweise erheblich verzerrt gewählt. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Hybridkollektors in Folienausführung in einem Gehäuse und

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch den Aufbau des als kompakten Laminatkörper unter Verwendung von Folien aufgebauten erfindungsgemäßen Hybridkollektors.

Die Fig. 1 zeigt einen solaren Hybridkollektor 1 in teilweise aufgeschnittener Darstellung, so daß ein kompakter Laminatkörper 2 sichtbar ist. Der Hybridkollektor 1 weist einen photovoltaischen Kollektor mit stromerzeugenden Bauelementen 3 und einen thermischen Kollektor mit einem wärmeableitenden Fluidsystem 4 auf. Für eine gute Übersichtlichkeit der Figur wurde auf eine Darstellung der elektrischen und fluidführenden Versorgungsleitungen sowie sonstiger Verbindungen verzichtet, wie beispielsweise einer Verdrahtung der stromerzeugenden Bauelemente. Diese sind nach den allgemeinen Regeln der Kollektortechnologien vorgesehen und entsprechen dem Stand der Technik. Als stromerzeugende Bauelemente 3 sind im gewählten Ausführungsbeispiel Solarzellen 5 in einzelnen Solarmodulen 6 angeordnet dargestellt. Sie sind mit Abstand zueinander auf dem Fluidsystem 4 angeordnet, das im Beispiel als metallischer Plattenwärmetauscher 7 aus Doppelstegplatten ausgeführt ist.

Der kompakte Laminatkörper 2 ist mit einer transparenten Abdeckschicht 8 überzogen, die als feuchtigkeitssperrende Schicht 9 ausgebildet ist und beispielsweise aus hochtransparenter TEDLAR-Folie besteht. Zwischen der feuchtigkeitssparenden Schicht 9 und den Solarmodulen 6 ist eine obere verklebende Kunststoffschicht 10 vorgesehen, die von einer Schmelzklebefolie 11 aus einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise EVA, gebildet ist. Dieser kostengünstige Kunststoff ist hochtransparent, witterungs- und hitzebeständig und besitzt eine hohe Klebkraft nach dem thermischen Aufschmelzen. Eine mittlere verklebende Kunststoffschicht 12 in Form einer Schmelzklebefolie 13 aus EVA ist zwischen den Solarmodulen 6 und einer elektrisch isolierenden Kunststoffschicht 14 vorgesehen und verbindet diese miteinander. Bei der elektrisch isolierenden Kunststoffschicht 14 handelt es sich um eine schwarze Verbundfolie 15, im Beispiel aus schwarzem TEDLAR. Diese ist über eine untere verklebende Kunststoffschicht 16, wiederum in Form einer Schmelzklebefolie 17 aus EVA, mit dem Plattenwärmetauscher 7 innig verbunden und gewährleistet einen optimalen Wärmeübergang.

Der gesamte solare Hybridkollektor 1 ist einem Gehäuse 18 angeordnet, das im Ausführungsbeispiel mit einem wärmeisolierenden Material, beispielsweise mit PU-Hartschaum ausgekleidet ist, und zur weiteren Verbesserung der Wärmeisolation evakuierbar ist. Eine lichtdurchlässige Oberseite 19 des Gehäuses 18 besteht im Beispiel aus einer Kunststoffscheibe 20, die über einen lösbaren Halterahmen 21 in das Gehäuse 18 eingesetzt ist. Die Verwendung einer Glasscheibe ist ebenfalls möglich. Die Anordnung des Hybridkollektors 1 in einem derartigen Gehäuse 18 verbessert nochmals seinen Wirkungsgrad und schützt ihn zusätzlich vor mechanischen Beschädigungen.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den kompakten Laminatkörper 2 prinzipiell dargestellt, der seinen Aufbau als ein Lamwich 22 in Folienausführung zeigt. Dabei sind die einzelnen Schichten für eine bessere Anschauung etwas auseinandergezogen dargestellt. Die Klebeschichten reichen jeweils - soweit möglich - in die anderen Schichten hinein. Durch die Erklärung des Lamwich 22 soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines solaren Hybridkollektors nach der Erfindung verdeutlicht werden. In einem einzigen Vorfertigungsschritt werden dazu alle erforderliche Elemente aufeinandergeschichtet. Der Aufbau beginnt mit dem wärmeableitenden Fluidsystem 4, hier dem Plattenwärmetauscher 7, als unterster Schicht und stabilisierender Grundlage. Die Größe der Platte wird dabei von den jeweiligen energietechnischen Erfordernissen bestimmt. Auf den Wärmetauscher 7 werden dann die entsprechend vorkonfektionierte EVA-Schmelzklebefolie 17 (untere verklebende Kunststoffschicht 16) und die elektrisch isolierende, schwarze TEDLAR-Folie 15 als elektrisch isolierender Kunststoffschicht 14 aufgelegt. Es folgen die EVA-Schmelzklebefolie 13 als mittlerer verklebender Kunststoffschicht 12 und die Solarzellen 5, deren Abstand zueinander ebenfalls von den Energieerfordernissen bestimmt wird. Bereiche auf dem Wärmetauscher 7 ohne Solarmodule 6 sind ebenfalls möglich. Abgeschlossen wird das Lamwich 22 von der EVA-Schmelzklebefolie 11 als oberer verklebender Kunststoffschicht 10 und der entsprechend zugeschnittenen hochtransparenten, dampfsperrenden TEDLAR-Folie 9 als transparenter Abdeckschicht 8, die die oberste Schicht bildet.

In einem einzigen Prozeßschritt wird das Lamwich 22 anschließend dauerhaft und nicht wieder lösbar zu dem kompakten Laminatkörper 2 verklebt und dabei automatisch hermetisch gegen Feuchtigkeitseinflüsse versiegelt. Dazu wird es in einen Vakuum-Laminator eingelegt und in einer Pressvorrichtung eingespannt. Der Pressdruck beim Laminiervorgang beträgt ungefähr 1 bar, die Prozeßtemperatur liegt ungefähr bei 150°C. Der nach dem Abkühlen bereits fertige Laminatkörper 2 ist äußerst kompakt und gut gegen jegliche beschädigende Einflüsse geschützt. Er stellt einen in seinen Eigenschaften ausgezeichneten solaren Hybridkollektor mit hohem Wirkungsgrad und ausgezeichneter Langzeitstabilität dar, der problemlos in vielfältiger Weise kommerziell einsetzbar ist. Bezugszeichenliste 1 Hybridkollektor

2 kompakter Laminatkörper

3 stromerzeugende Bauelemente

4 wärmeableitendes Fluidsystem

5 Solarzelle

6 Solarmodul

7 metallischer Plattenwärmetauscher

8 transparente Abdeckschicht

9 feuchtigkeitssperrende TEDLAR-Folie

10 obere verklebende Kunststoffschicht

11 Schmelzklebefolie aus EVA

12 mittlere verklebende Kunststoffschicht

13 Schmelzklebefolie aus EVA

14 elektrisch isolierende Kunststoffschicht

15 schwarze TEDLAR-Verbundfolie

16 untere verklebende Kunststoffschicht

17 Schmelzklebefolie aus EVA

18 Gehäuse

19 lichtdurchlässige Oberseite

20 Kunststoffscheibe

21 Halterahmen

22 Lamwich


Anspruch[de]
  1. 1. Solarer Hybridkollektor zur kombinierbaren Strom- und Wärmegewinnung mittels stromerzeugender Bauelemente und einem wärmeableitenden Fluidsystem mit einer transparenten Abdeckschicht auf den stromerzeugenden Bauelementen und einer verklebenden, aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehenden sowie einer elektrisch isolierenden Kunststoffschicht zwischen den stromerzeugenden Bauelementen und dem Fluidsystem, dadurch gekennzeichnet, daß der Hybridkollektor (1) als kompakter Laminatkörper (2) ausgebildet ist, bei dem zwischen der transparenten Abdeckschicht (8), die als feuchtigkeitssperrende Schicht (9) ausgebildet ist, und den stromerzeugenden Bauelementen (3) sowie zwischen der elektrisch isolierenden Kunststoffschicht (14) und dem Fluidsystem (4) jeweils eine weitere verklebende Kunststoffschicht (10, 16) angeordnet ist.
  2. 2. Solarer Hybridkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feuchtigkeitssperrende Schicht (9) von einer Glasscheibe gebildet ist.
  3. 3. Solarer Hybridkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feuchtigkeitssperrende Schicht (9) von einer transparenten Folie insbesondere mit PTFE, PVF, ETFE oder einem Polycarbonat in Reinform oder als Verbundstoff, gebildet ist.
  4. 4. Solarer Hybridkollektor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Kunststoffschicht (14) von einer Isolationsfolie in Form einer schwarzen Folie (15), insbesondere als PTFE- oder PVE-Verbundfolie, gebildet ist.
  5. 5. Solarer Hybridkollektor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Klebeschichten (10, 12, 16) von Schmelzklebefolien (11, 13, 17) gebildet sind, wobei der thermoplastische Kunststoff insbesondere auf den Kopolymeren Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA) oder Poly-Vinyl-Butyral (PVB) basiert.
  6. 6. Solarer Hybridkollektor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als stromerzeugende Bauelemente (3) thermo-elektrische Bauelemente vorgesehen sind.
  7. 7. Solarer Hybridkollektor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als stromerzeugende Bauelemente (3) photovoltaische Solarzellen (5) vorgesehen sind.
  8. 8. Solarer Hybridkollektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere Solarzellen (5) zu einem Solarmodul (6) vorgefertigt sind.
  9. 9 Solarer Hybridkollektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Solarmodule (6) mit Abstand zueinander auf dem Fluidsystem (4) angeordnet sind.
  10. 10. Solarer Hybridkollektor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluidsystem (4) ein Plattenwärmetauscher (7), insbesondere als Doppelstegplatte oder Absorber vom Typ "Wallnöfer", vorgesehen ist.
  11. 11. Solarer Hybridkollektor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluidsystem (4) ein Wärmetauscher mit Kunststoff-Rohrregister vorgesehen ist.
  12. 12. Solarer Hybridkollektor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidsystem (4) ein Metallblech aufweist, an dessen Unterseite vom Fluid durchfließbare Rohre befestigt sind.
  13. 13. Solarer Hybridkollektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung der Rohre durch direkten Material- oder Formschluß oder durch an der Unterseite des Metallblechs angeordnete Halteklipse erfolgt ist.
  14. 14. Solarer Hybridkollektor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem isolierten Gehäuse (18), das insbesondere evakuierbar sein kann, mit einer lichtdurchlässigen Oberseite (19) angeordnet ist.
  15. 15. Solarer Hybridkollektor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem evakuierten Glas- oder transparenten Kunststoffrohr angeordnet ist.
  16. 16. Verfahren zur Herstellung eines solaren Hybridkollektors zur kombinierbaren Strom- und Wärmegewinnung mittels stromerzeugender Bauelemente und einem wärmeableitenden Fluidsystem mit einer transparenten Abdeckschicht auf den stromerzeugenden Bauelementen und einer verklebenden Kunststoffschicht aus einem thermoplastischen Kunststoff sowie einer elektrisch isolierenden Kunststoffschicht zwischen den stromerzeugenden Bauelementen und dem Fluidsystem, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der kompakte Laminatkörper (2) als Lamwichaufbau (22) in einem einzigen Vorfertigungsschritt mit einer Schichtenfolge aus Abdeckschicht (8), oberer Klebeschicht (10), stromerzeugenden Bauelementen (3), mittlerer Klebeschicht (12), elektrisch isolierender Schicht (14), unterer Klebeschicht (16) und wärmeableitendem Fluidsystem (4) vorgefertigt und anschließend in einem Vakuum-Laminator unter Druck- und Temperatureinfluß in einem einzigen Prozeßschritt zu einem unlösbaren Verbundkörper (2) verschmolzen wird.






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