DE102010032908A1 - Thermocouple, photovoltaic module and photovoltaic system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Thermoelement für ein Photovoltaikmodul mit einem Medienkanal für ein Wärmetauschermedium, einem ersten Oberflächenabschnitt, der geeignet und bestimmt ist in direkten thermischen Kontakt mit dem Photovoltaikmodul zu treten, und einem zweiten Oberflächenabschnitt. Erfindungsgemäß zeichnen sich das Thermoelement, Photovoltaikmodul und die Photovoltaikanlage dadurch aus, dass der zweite Oberflächenabschnitt in direktem thermischen Kontakt mit der Umgebungsluft steht.The present invention relates to a thermocouple for a photovoltaic module with a media channel for a heat exchanger medium, a first surface section which is suitable and intended to come into direct thermal contact with the photovoltaic module, and a second surface section. According to the invention, the thermocouple, photovoltaic module and the photovoltaic system are characterized in that the second surface section is in direct thermal contact with the ambient air.
Description
Die Erfindung betrifft ein Thermoelement für Photovoltaikmodule, ein Photovoltaikmodul mit zumindest einem Thermoelement und eine Photovoltaikanlage mit wenigstens einem Photovoltaikmodul.The invention relates to a thermocouple for photovoltaic modules, a photovoltaic module with at least one thermocouple and a photovoltaic system with at least one photovoltaic module.
Grundsätzlich kann Solarenergie zur Erzeugung von Wärmeenergie mit Hilfe eines Kollektors oder zur Erzeugung von elektrischem Strom durch Photovoltaik(PV)-Module genutzt werden. Hybridkollektoren, welche die Funktion der Wärmeerzeugung und die Funktion der Stromerzeugung in einem Modul vereinigen, sind beispielsweise aus der
Eine Erweiterung bestehender Photovoltaikmodule zu Hybridkollektoren gestaltet sich jedoch oft schwierig, da vielfach geeignete Wärmetauscher (Thermoelemente) nicht erhältlich sind. Das Ersetzen von bestehenden Photovoltaikmodulen durch Hybridkollektoren ist hingegen unwirtschaftlich. Daher wird zur Erweiterung einer bestehenden PV-Anlage durch einen thermischen Solarkollektor, beispielsweise auf einem Hausdach, meist auf Hybridkollektoren verzichtet und es werden separate Solarkollektoren hinzugefügt. Dies führt zu einer schlechten Platzausnutzung, wodurch unter anderem der bei gegebener Nutzfläche erzielbare Energiegewinn vermindert wird.However, an extension of existing photovoltaic modules to hybrid collectors is often difficult, since many suitable heat exchangers (thermocouples) are not available. The replacement of existing photovoltaic modules by hybrid collectors, however, is uneconomical. Therefore, to expand an existing PV system by a solar thermal collector, for example, on a house roof, usually omitted on hybrid collectors and it will be added to separate solar panels. This leads to a poor utilization of space, whereby among other things, the energy gain that can be achieved for a given useful area is reduced.
Ferner ist die Strom- und Warmwasserausbeute in bekannten Hybridkollektoren nicht optimal aufeinander abgestimmt. Um die Warmwasserausbeute zu erhöhen, wird bekannten an Hybridkollektoren eine Isolierschicht angebracht. Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung von PV-Elementen sinkt jedoch bei einer höheren Temperatur und bei gleicher Nutzfläche ist die Warmwasserausbeute oft ohnehin deutlich besser als die Stromausbeute. Überschüssiger Strom kann aber insbesondere durch die gute Preislage für in das Netz eingespeisten Solarstrom sinnvoller genutzt werden als überschüssiges Warmwasser.Furthermore, the current and hot water yield is not optimally matched in known hybrid collectors. In order to increase the warm water yield, an insulating layer is attached to known hybrid collectors. However, the efficiency of power generation of PV elements decreases at a higher temperature and with the same floor space, the hot water yield is often much better than the current yield anyway. But excess electricity can be used more meaningful than surplus hot water in particular by the good price situation for fed into the grid solar power.
Es ist nun ein Ziel der Erfindung, Thermoelemente zur einfachen Nachrüstung für bestehende Photovoltaikmodule und ein um ein Thermoelement erweiterbares Photovoltaikmodul bereitzustellen. Ein weiteres Ziel ist es, die Abstimmung zwischen Strom- und Warmwasserausbeute in Hybridkollektoren zu optimieren.It is now an object of the invention to provide thermocouples for easy retrofit to existing photovoltaic modules and a thermocouple expandable photovoltaic module. Another goal is to optimize the coordination between electricity and hot water yield in hybrid collectors.
Erfindungsgemäß ist ein Thermoelement für Photovoltaikmodule gemäß Anspruch 1 sowie ein Photovoltaikmodul gemäß Anspruch 6 vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the invention a thermocouple for photovoltaic modules according to
Demgemäß umfasst die Erfindung ein Thermoelement für Photovoltaikmodule mit wenigstens einem Medienkanal für ein Wärmetauschermedium, einem ersten Oberflächenabschnitt und einem zweiten Oberflächenabschnitt. Der erste Oberflächenabschnitt ist so ausgebildet, dass ein direkter Wärmeaustausch zwischen den PV-Zellen und dem Thermoelement durch Wärmeleitung erfolgt. Der zweite Oberflächenabschnitt ist erfindungsgemäß so ausgebildet, dass ein direkter Wärmeaustausch durch Wärmeleitung zwischen dem Thermoelement und der Umgebungsluft stattfindet.Accordingly, the invention comprises a thermocouple for photovoltaic modules with at least one media channel for a heat exchange medium, a first surface portion and a second surface portion. The first surface portion is formed so that a direct heat exchange between the PV cells and the thermocouple takes place by heat conduction. The second surface portion is inventively designed so that a direct heat exchange takes place by heat conduction between the thermocouple and the ambient air.
Der erste Oberflächenabschnitt ist geeignet und bestimmt, bei einer Montage dem PV-Element zugewandt zu sein. Der zweite Oberflächenabschnitt ist geeignet und bestimmt, bei einer Montage dem PV-Element abgewandt zu sein und mit der Umgebungsluft an der Rückseite des PV-Elementes in Kontakt zu stehen.The first surface portion is suitable and determined to be facing the PV element during assembly. The second surface portion is suitable and determined to be facing away from the PV element during assembly and to be in contact with the ambient air at the back of the PV element.
Der Medienkanal weist zumindest einen Vorlaufanschluss und zumindest einen Rücklaufanschluss für das Wärmetauschermedium auf und kann beispielsweise in Form einer Rohrschlange ausgebildet sein. Das Thermoelement kann auch als Hohlkammerplatte ausgeführt sein. Das Wärmetauschermedium ist vorzugsweise ein Fluid mit einer hohen Wärmekapazität, beispielsweise auf Wasserbasis.The media channel has at least one flow connection and at least one return connection for the heat exchange medium and can be designed, for example, in the form of a pipe coil. The thermocouple can also be designed as a hollow chamber plate. The heat exchange medium is preferably a fluid having a high heat capacity, for example, water-based.
Wärme kann somit von den PV-Zellen an das Thermoelement abgegeben werden, von wo sie durch das Wärmetauschermedium im Medienkanal einerseits und durch Wärmetausch mit der Umgebungsluft andererseits abgeführt wird. Der zweite Oberflächenabschnitt steht mit dem ersten Oberflächenabschnitt und somit zumindest mittelbar mit den Photovoltaikzellen in wärmeleitender Verbindung. Durch den direkten thermischen Kontakt des zweiten Oberflächenabschnittes mit der Umgebungsluft wird im Bereich des Thermoelements keine Abwärme gestaut.Heat can thus be delivered from the PV cells to the thermocouple, from where it is dissipated by the heat exchange medium in the media channel on the one hand and by heat exchange with the ambient air on the other hand. The second surface portion is in thermally conductive connection with the first surface portion and thus at least indirectly with the photovoltaic cells. Due to the direct thermal contact of the second surface portion with the ambient air, no waste heat is accumulated in the region of the thermocouple.
Durch die Vermeidung eines Wärmestaus im Thermoelement und die zusätzliche Abfuhr von Wärme durch die Umgebungsluft wird im Vergleich zu vorbekannten Hybridkollektoren eine bessere Kühlung des PV-Elementes auf Kosten der Wärmeausbeute des Wärmetauschermediums erreicht. Das Verhältnis Stromausbeute zu Warmwasserausbeute wird somit zu Gunsten der Stromausbeute verschoben, was wie Eingangs erklärt wünschenswert ist.By avoiding heat build-up in the thermocouple and the additional removal of heat by the ambient air better cooling of the PV element is achieved at the expense of heat recovery of the heat exchanger medium compared to prior art hybrid collectors. The ratio of current efficiency to warm water yield is thus shifted in favor of the current efficiency, which is desirable as explained at the beginning.
Durch die einfache Bauart sind die erfindungsgemäßen Thermoelemente zudem als Nachrüstelemente geeignet. Due to the simple design, the thermocouples according to the invention are also suitable as retrofit elements.
Vorzugsweise hat das erfindungsgemäße Thermoelement eine plattenförmige Gestalt mit zwei im Wesentlichen parallelen Flächen, die dem ersten und dem zweiten Oberflächenabschnitt entsprechen.Preferably, the thermocouple of the invention has a plate-like shape with two substantially parallel surfaces corresponding to the first and second surface portions.
In einer Ausführungsform weist der erste und/oder der zweite Oberflächenabschnitt eine glatte Oberfläche auf, in einer anderen Ausführungsform weist der erste und/oder der zweite Oberflächenabschnitt eine raue und/oder strukturierte Oberfläche auf.In one embodiment, the first and / or the second surface portion has a smooth surface, in another embodiment, the first and / or the second surface portion has a rough and / or structured surface.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Wärmetauscher zumindest im Bereich des ersten und/oder zweiten Oberflächenabschnitts und/oder Medienkanals aus gut wärmeleitenden Materialien gefertigt. Dies kann beispielsweise durch eine dünnwandige Ausführung mit einem gut wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Blech oder Aluminium erreicht werden. Gegebenenfalls ist auch eine die Wärmeleitung verbesserte Zwischenschicht vorhanden. Geeignete Materialien und/oder Zwischenschichten haben vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1 W/(m·K), vorzugsweise mehr als 5 W/(m·K) und besonders bevorzugt mehr als 10 W/(m·K).In a further embodiment, the heat exchanger is made of materials that conduct good heat at least in the area of the first and / or second surface section and / or media channel. This can be achieved for example by a thin-walled design with a good heat-conducting material, such as sheet metal or aluminum. Optionally, there is also an intermediate layer which improves the heat conduction. Suitable materials and / or intermediate layers preferably have a thermal conductivity of more than 1 W / (m · K), preferably more than 5 W / (m · K), and more preferably more than 10 W / (m · K).
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zweite Oberflächenabschnitt keine Mittel zur Verminderung der Wärmeleitung zwischen dem Thermoelement und der Umgebungsluft aufweist, insbesondere keine Isoliermittel wie beispielsweise eine Dämmschicht aus Isoliermaterial oder auch eine Vakuumschicht.In one embodiment it is provided that the second surface portion has no means for reducing the heat conduction between the thermocouple and the ambient air, in particular no insulating means such as an insulating layer of insulating material or a vacuum layer.
In einer Ausführungsform weist der zweite Oberflächenabschnitt Mittel zur Verstärkung des Wärmeaustauschs zwischen dem Thermoelement und der Umgebungsluft auf. Geeignete Mittel zur Verstärkung des Wärmeaustauschs umfassen beispielsweise passive Kühlkörper, wie Kühlrippen, Kühllamellen oder auch ein einfaches Wellblech. Gegebenenfalls bestehen die passiven Kühlkörper aus Aluminium.In one embodiment, the second surface portion includes means for enhancing heat exchange between the thermocouple and the ambient air. Suitable means for enhancing the heat exchange include, for example, passive heat sinks, such as cooling fins, cooling fins or even a simple corrugated metal sheet. Optionally, the passive heatsinks are made of aluminum.
In einer Ausführungsform weist das Thermoelement Mittel zur Fixierung an der sonnenabgewandten Oberfläche des Photovoltaik-Moduls auf, die so ausgebildet sind, dass das Thermoelement mit dem ersten Oberflächenabschnitt angrenzend an das Photovoltaik-Modul befestigt werden kann. Die Mittel zur Fixierung sind vorzugsweise so ausgebildet, dass eine reversible Fixierung ermöglicht wird. Geeignete Mittel umfassen Schrauben, Klammern, Steckverbindungen, Rastverbindungen und Ähnliches. Die Mittel zur Fixierung des Thermoelements können zur Befestigung am Rahmen von bestehenden PV-Modulen oder direkt an der rückseitigen Oberfläche des PV-Moduls selbst geeignet und/oder bestimmt sein. Ferner ist eine nicht reversible Fixierung wie ein Ankleben oder Anschweißen denkbar.In one embodiment, the thermocouple comprises means for fixing to the solar-remote surface of the photovoltaic module, which are formed so that the thermocouple can be attached to the first surface portion adjacent to the photovoltaic module. The means for fixing are preferably designed so that a reversible fixation is made possible. Suitable means include screws, clamps, connectors, snap-in connections and the like. The means for fixing the thermocouple may be suitable and / or intended for attachment to the frame of existing PV modules or directly on the back surface of the PV module itself. Furthermore, a non-reversible fixation such as sticking or welding is conceivable.
In einer Ausführungsform weist das Thermoelement keine Mittel zur Fixierung an der sonnenabgewandten Oberfläche des Photovoltaik-Moduls auf, und ist geeignet und bestimmt, im Rahmen an der Rückseite des PV-Moduls verklemmt zu werden, oder von am Rahmen oder an Rahmenelementen verankerten Sekundärbauteilen gehalten zu werden.In one embodiment, the thermocouple has no means for attachment to the solar-remote surface of the photovoltaic module, and is suitable and intended to be clamped in the frame at the back of the PV module, or held by anchored to the frame or frame members secondary components become.
Für bestehende Photovoltaikmodule ohne thermische Wärme-Kollektoren ist das Thermoelement in einer weiteren Ausführungsform als Nachrüstteil ausgebildet. So können bestehende PV-Module zu Hybridmodulen nachgerüstet werden.For existing photovoltaic modules without thermal heat collectors, the thermocouple is formed in a further embodiment as a retrofit. So existing PV modules can be retrofitted to hybrid modules.
Die Erfindung betrifft ferner ein Photovoltaikmodul mit einem Thermoelement, welches zumindest einen Medienkanal für ein Wärmetauschermedium aufweist. Das Photovoltaikmodul kann auch mehrere Thermoelemente aufweisen. Ein erster Oberflächenabschnitt des Thermoelements steht in direktem thermischen Kontakt mit dem PV-Modul und grenzt vorzugsweise direkt an dessen sonnenabgewandte Seite (Rückseite) an.The invention further relates to a photovoltaic module with a thermocouple, which has at least one media channel for a heat exchange medium. The photovoltaic module may also have a plurality of thermocouples. A first surface portion of the thermocouple is in direct thermal contact with the PV module and preferably abuts directly on its side facing away from the sun (back).
Erfindungsgemäß steht ein zweiter Oberflächenabschnitt an der dem PV-Modul abgewandten Seite des Thermoelementes in direktem thermischen Kontakt mit der Umgebungsluft. Dadurch wird ein Wärmeaustausch zwischen den PV-Zellen des Moduls und der Umgebungsluft begünstigt. In den PV-Zellen entstehende Abwärme wird einerseits durch das Wärmetauschermedium im Medienkanal und andererseits zusätzlich am zweiten Oberflächenabschnitt durch Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft abgeführt.According to the invention, a second surface section on the side of the thermocouple facing away from the PV module is in direct thermal contact with the ambient air. This promotes heat exchange between the PV cells of the module and the ambient air. Waste heat generated in the PV cells is dissipated on the one hand by the heat exchange medium in the media channel and on the other hand additionally on the second surface portion by heat exchange with the ambient air.
In einem solchen, erfindungsgemäßen Hybridkollektor wird im Vergleich zur vorbekannten Hybridkollektoren eine bessere Kühlung des PV-Elementes auf Kosten der Wärmeausbeute des Wärmetauschermediums erreicht. Das Verhältnis Stromausbeute zu Warmwasserausbeute wird somit zu Gunsten der Stromausbeute verschoben, was wie Eingangs ausgeführt wünschenswert ist.In such a hybrid collector according to the invention, a better cooling of the PV element is achieved at the expense of the heat yield of the heat exchanger medium in comparison to the previously known hybrid collectors. The ratio of current efficiency to warm water yield is thus shifted in favor of the current efficiency, which is desirable as stated in the introduction.
Vorzugsweise haben das Thermoelement und/oder das PV-Modul eine flache, in einer Ebene ausgedehnte Gestalt, wie eine Platte, mit zwei im Wesentlichen parallelen Flächen. Besonders bevorzugt ist der Einsatz eines erfindungsgemäßen Thermoelements gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen.Preferably, the thermocouple and / or the PV module have a flat, in-plane shape, such as a plate, with two substantially parallel surfaces. Particularly preferred is the use of a thermocouple according to the invention according to one of the embodiments described above.
Durch das Fehlen einer Dämmschicht am zweiten Oberflächenabschnitt des Thermoelements entsteht durch die an den PV-Zellen entstehende Wärme kein Wärmestau. Die Kühlung wird dabei durch passive Kühlkörper gegebenenfalls verstärkt. Durch diese zusätzliche Wärmeabfuhr an die Umgebungsluft kann der Wirkungsgrad der PV-Zellen erhöht werden. Due to the lack of an insulating layer on the second surface portion of the thermocouple caused by the heat generated at the PV cells heat accumulation. The cooling is optionally enhanced by passive heat sinks. By this additional heat dissipation to the ambient air, the efficiency of the PV cells can be increased.
Das Thermoelement ist an der sonnenabgewandten Rückseite des PV-Moduls angebracht. Der erste Oberflächenabschnitt des Thermoelements grenzt somit an die sonnenabgewandte Seite des PV-Moduls. Der zweite Oberflächenabschnitt des Thermoelements ist dem PV-Modul abgewandt.The thermocouple is attached to the solar back side of the PV module. The first surface portion of the thermocouple thus adjoins the solar side facing away from the PV module. The second surface portion of the thermocouple faces away from the PV module.
Die erfindungsgemäßen PV-Module mit Thermoelement sind in einer Ausführungsform im Wesentlichen plattenförmig und weisen eine mehrschichtige Sandwichkonstruktion auf. Die entsprechenden Schichtung umfassen eine transparente und witterungsbeständige Frontschicht auf der sonnenzugewandten Seite, Barunterliegende Solarzellen und eine Rückenkaschierung aus widerstandsfähigem und gut wärmeleitendem Material. Die einzelnen Schichten werden gegebenenfalls von einem Rahmen zusammengehalten. An die Rückenkaschierung grenzt direkt oder über eine gut wärmeleitende Zwischenschicht der erste Oberflächenabschnitt des Thermoelements an. Dieses kann beispielsweise im Rahmen an der Rückseite des PV-Moduls verklemmt sein, oder von am Rahmen oder an Rahmenelementen verankerten Sekundärbauteilen gehalten werden.The PV modules with thermocouple according to the invention are in one embodiment substantially plate-shaped and have a multilayer sandwich construction. The corresponding stratification includes a transparent and weather-resistant front layer on the sun-facing side, solar cells under the sun and a back lining made of resistant and highly thermally conductive material. The individual layers are optionally held together by a frame. The first surface section of the thermocouple is directly adjoined to the back lamination or via a good heat-conducting intermediate layer. This can for example be clamped in the frame at the back of the PV module, or be held by anchored to the frame or frame members secondary components.
In einer Ausführungsform ist das Thermoelement ein modularer Bestandteil des Photovoltaikmoduls und ist reversibel abnehmbar. Dies bewerkstelligt günstige Wartungseigenschaften durch eine Austauschbarkeit der Thermoelemente. Ferner kann ein Photovoltaikmodul welches kein Thermoelement aufweist nachgerüstet werden.In one embodiment, the thermocouple is a modular part of the photovoltaic module and is reversibly removable. This accomplishes favorable maintenance properties by an interchangeability of the thermocouples. Furthermore, a photovoltaic module which has no thermocouple can be retrofitted.
Die Erfindung betrifft ferner eine Photovoltaikanlage mit wenigstens einem oder mehreren erfindungsgemäßen PV-Modulen.The invention further relates to a photovoltaic system with at least one or more PV modules according to the invention.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Figuren und Ausführungsbeispielen.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the following figures and embodiments.
In den Figuren zeigen:In the figures show:
In
Zwischen dem PV-Modul und den Rahmenelementen ist in
Das PV-Modul füllt die Ausnehmung
Das Modul
Das Thermoelement
In der in
Das Hybridmodul ist somit modular aus PV-Modul
Durch Wärmeleitung durch die Rückseitenkaschierung
Die in der
In der in
Durch das Verpressen entstehen durch die Wellblech-Struktur des passiven Kühlkörpers
Durch die Kühlkörper kann die in einem erfindungsgemäßen PV-Modul begünstigte Kühlung der Solarzellen durch den zusätzlichen Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft noch verstärkt werden.By the heat sink favored in a PV module according to the invention cooling of the solar cells by the additional heat exchange with the ambient air can be further enhanced.
Auf der linken Seite ist eine Feder
Das plattenförmige Thermoelement wird durch die Befestigungsmittel bündig und flächig an der Rückseitenkaschierung
In
Durch die ständige Wärmeabfuhr durch sowohl das Wärmetauschermedium als auch die Umgebungsluft wird das PV-Modul besonders wirksam gekühlt, was zu einer besseren Stromausbeute führt.Due to the constant heat dissipation through both the heat exchange medium and the ambient air, the PV module is cooled particularly effectively, resulting in a better current efficiency.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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