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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Solaranlagenmodul mit einem Photovoltaikmodul und einer Flüssigkeitskühlung, wobei ein Flüssigkeitskühlaggregat an der Unterseite des Photovoltaikmoduls angeordnet ist, sowie eine Solaranlage mit mehreren Solaranlagenmodulen.
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Es sind verschiedene Arten von Solaranlagen bekannt. Photovoltaikanlagen wandeln das Sonnenlicht in elektrischen Strom um, der mit Hilfe von Wechselrichtern beispielsweise in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Die einzelnen Photovoltaikzellen, die zu einem Photovoltaikmodul zusammengefasst sind, besitzen einen temperaturabhängigen Wirkungsgrad, wobei bei einer Temperatur zwischen 0°C und 25°C der höchste Wirkungsgrad erreicht wird. Daher ist es bekannt, Photovoltaikmodule mittels Luft- oder Flüssigkeitskühler zu kühlen. Gekühlte Photovoltaikmodule sind beispielsweise aus
WO 2008/003 109 A2 ,
DE 10 2008 049 538 A1 ,
DE 10 2005 024 516 A1 ,
DE 10 2009 022 671 A1 und
DE 10 2010 035 384 A1 bekannt.
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WO 2008/003 109 A2 offenbart ein Solaranlagenmodul mit einem Photovoltaikmodul und einer Flüssigkeitskühlung, wobei ein Flüssigkeitskühlaggregat an der Unterseite des Photovoltaikmoduls angeordnet ist.
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DE 10 2008 049 538 A1 offenbart ein ähnliches System, wobei das Flüssigkeitskühlaggregat aus einem Kühlkörper, der von einem Flüssigkeitskanal durchdrungen ist, besteht.
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DE 10 2005 024 516 A1 zeigt ein weiteres Solaranlagenmodul mit einem Photovoltaikmodul und einer an der Unterseite des Photovoltaikmoduls angeordneten Flüssigkeitskühlung.
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De 10 2009 022 671 A1 zeigt ein Solaranlagenmodul mit Photovoltaikmodul und einer Flüssigkeitskühlung, wobei ein Kühlmedium durch ein Behältnis, das unterhalb der Photovoltaikmodule angeordnet ist, strömt und im direkten oder indirekten thermischen Kontakt zu den Photovoltaikmodulen steht.
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DE 10 2010 035 384 A1 zeigt ebenfalls ein Solaranlagemodul mit einem Photovoltaikmodul, wobei an der Unterseite des Photovoltaikmoduls ein Modul zur Temperaturstabilisierung vorgesehen ist. Das Modul weist ein Peltierelement auf und umfasst einen Latentwärmespeicher. Die von dem Photovoltaikmodul erzeugte Wärme wird somit in elektrische Leistung und als latente Wärme abgeführt.
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DE 101 44 148 A1 zeigt ein Solaranlagenmodul mit einem Photovoltaikmodul, wobei an der Unterseite des Photovoltaikmoduls eine Luftkühlung angeordnet ist.
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Neben Solaranlagen mit Photovoltaikmodulen existieren thermische Solaranlagen, die die solare Energie in Wärmeenergie umwandeln.
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Sowohl thermische Solaranlagen als auch Photovoltaikanlagen werden vielfach für Strom- bzw. Warmwasserversorgung von Häusern eingesetzt, da auf diese Weise die Häuser umweltfreundlich mit Energie versorgt werden können. Durch die Vermeidung der Nutzung von fossilen Energieträgern wird somit zur Reduktion der Erderwärmung und der Vermeidung von CO
2-Emissionen beigetragen. In
DE 101 44 148 A1 ist der Einsatz von Solaranlagen in einem Wohnhaus beispielhaft beschrieben.
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Da Photovoltaikanlagen einen vorteilhaften Temperaturbereich von ca. 20°C besitzen, muss die vorbekannte Kühlung die Photovoltaikmodule auf diese Temperatur herunter kühlen. Die von Photovoltaikmodulen aufgenommene Abwärme befindet sich somit ebenfalls auf diesem Temperaturniveau und wird daher bei den vorbekannten Systemen zumeist nicht genutzt.
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Aus
ES 2 377 793 A1 ist ein Solaranlagenmodul nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Solaranlagenmodul mit einem Photovoltaikmodul mit Flüssigkeitskühlung sowie eine Solaranlage zu schaffen, wobei Abwärme des Photovoltaikmoduls energetisch sinnvoll eingesetzt werden kann und wobei das Solaranlagenmodul von einfachem Aufbau ist.
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Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Bei einem erfindungsgemäßen Solaranlagenmodul mit einem Photovoltaikmodul und einer Flüssigkeitskühlung, wobei ein Flüssigkeitskühlaggregat an der Unterseite des Photovoltaikmoduls angeordnet ist, ist vorgesehen, dass auf der von dem Photovoltaikmodul abgewandten Seite des Flüssigkeitskühlaggregats ein Lüftungssystem angeordnet ist, wobei ein Wärmeaustausch zwischen einem durch das Lüftungssystem geleiteten Gas und dem Kühlaggregat erfolgt.
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Durch das Vorsehen eines Flüssigkeitskühlaggregats lässt sich das Photovoltaikmodul in vorteilhafter Weise kühlen, wodurch die Photovoltaikzellen des Photovoltaikmoduls in einem in Bezug auf den Wirkungsgrad vorteilhaften Temperaturbereich gehalten werden können. Der Temperaturbereich kann beispielsweise zwischen 0°C und 25°C betragen. Das Lüftungssystem, das auf der von dem Photovoltaikmodul abgewandten Seite des Flüssigkeitskühlaggregats angeordnet ist, kann eingesetzt werden, um Außenluft, die beispielsweise einem Gebäude zugeführt werden soll, durchzuleiten, wobei durch den Wärmeaustausch zwischen dem Flüssigkeitskühlaggregat und der Außenluft diese vorgewärmt werden kann. Insbesondere bei kalten Außentemperaturen kann somit eine Luftkonditionierung der dem Gebäude zugeführten Luft erfolgen. Dadurch kann die von den Photovoltaikmodulen über das Flüssigkeitskühlaggregat abgeführte Wärme energetisch sinnvoll genutzt werden.
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Die Kühlflüssigkeit, mit der das Flüssigkeitskühlaggregat betrieben wird, kann beispielsweise durch einen im Erdreich angeordneten Wärmetauscher zur Wärmeabgabe geleitet werden.
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Das Flüssigkeitskühlaggregat kann auch mit einem im Erdreich angeordneten Latentwärmespeicher verbunden sein, wobei die Abwärme der Photovoltaikmodule über das Flüssigkeitskühlaggregat zur Einleitung von Wärmeenergie in den Latentwärmespeicher genutzt wird. Durch das Lüftungssystem des erfindungsgemäßen Solaranlagenmoduls kann auch Abluft aus einem Gebäude geleitet werden, so dass in bestimmten Außentemperaturbereichen, insbesondere wenn keine Sonneneinstrahlung auf das Solaranlagenmodul erfolgt, über das durch das Lüftungssystem geleitete Gas die Kühlflüssigkeit des Flüssigkeitskühlaggregats erwärmt werden kann, wodurch dieses frostfrei gehalten werden kann, oder über die Kühlflüssigkeit ein Wärmeeintrag in einen Latentwärmespeicher erfolgen kann.
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Das erfindungsgemäße Solaranlagenmodul ermöglicht somit eine hoch effiziente Energieausnutzung, wobei sich das Solaranlagenmodul in besonders vorteilhafter Weise in vorhandene Konzepte zur Nutzung von solarer bzw. regenerativer Energie integrieren lässt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein durch das Lüftungssystem geleitetes Gas im Kreuzstrom zu einer durch das Flüssigkeitsaggregat geleiteten Kühlflüssigkeit leitbar ist. Auf diese Weise ist ein Wärmeaustausch in besonders vorteilhafter Weise möglich.
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Das Flüssigkeitskühlaggregat weist eine plattenförmige Struktur auf, die innenliegende Flüssigkeitsleitungen für eine Kühlflüssigkeit aufweist. Eine derartige Struktur ist konstruktiv einfach ausgestaltet und bietet darüber hinaus in vorteilhafter Weise eine flächige Struktur an der Oberseite, die in vorteilhafter Weise mit dem Photovoltaikmodul verbunden werden kann. Ferner bietet die Unterseite einer plattenförmigen Struktur eine gute Verbindungsmöglichkeit mit dem erfindungsgemäßen Lüftungssystem, wobei gleichzeitig beispielsweise eine Rippenstruktur in vorteilhafter Weise angeordnet werden kann.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Flüssigkeitskühlaggregat an der Oberseite eine flächige Struktur zur Verbindung mit dem Photovoltaikmodul aufweist. Dadurch lässt sich in besonders vorteilhafter Weise die Abwärme von dem Photovoltaikmodul auf das Flüssigkeitskühlaggregat übertragen. Das Photovoltaikmodul kann beispielsweise auf das Flüssigkeitskühlaggregat aufgeklebt sein. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Flüssigkeitskühlaggregat an der Unterseite eine Rippenstruktur aufweist, die mit dem Lüftungssystem zusammenwirkt. Auf diese Weise wird an dem Flüssigkeitskühlaggregat an der Unterseite eine besonders große Oberfläche zum Wärmeaustausch mit einem durch das Lüftungssystem geleiteten Gas gebildet, wodurch ein Wärmeaustausch zwischen der Kühlflüssigkeit des Flüssigkeitskühlaggregats und dem Gas des Lüftungssystems in besonders vorteilhafter Weise erfolgen kann.
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Das Flüssigkeitskühlaggregat besteht vorzugsweise aus einem wärmeleitenden Material, so dass eine Wärmeleitung sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite in vorteilhafter Weise erfolgen kann.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Lüftungssystem mindestens einen Lüftungskanal aufweist. Durch den Lüftungskanal kann wahlweise die Außenluft zur Zuführung zu einem Gebäude oder die Abluft aus dem Gebäude geleitet werden. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass mehrere Lüftungskanäle vorgesehen sind, wobei beispielsweise durch einen Lüftungskanal Außenluft dem Gebäude zugeführt und durch einen zweiten Lüftungskanal Luft aus dem Gebäude zurückgeleitet wird. Ein derartiges Lüftungssystem hat den Vorteil, dass zu bestimmten Betriebszuständen, bei denen beispielsweise keine Sonneneinstrahlung auf das Solaranlagenmodul erfolgt, die einem Gebäude zugeführte Außenluft durch die Abluft aus dem Gebäude vorgewärmt werden kann, wodurch der Wärmeverlust des Gebäudes verringert wird.
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Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, dass eine Wärmedämmung das Lüftungssystem an der von dem Flüssigkeitskühlaggregat abgewandten Seite umgibt. Dadurch wird ein Wärmeverlust des Solaranlagenmoduls auf dieser Seite verhindert, wodurch ein sehr hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann.
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Das Photovoltaikmodul kann aus Photovoltaikzellen aus monokristallinem oder polykristallinen Silicium bestehen. Die Abdeckung des Photovoltaikmoduls kann beispielsweise aus Solargas oder einer transparenten Wärmedämmung bestehen.
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Eine erfindungsgemäße Solaranlage ist durch die Merkmale des Anspruchs 6 definiert. Die erfindungsgemäße Solaranlage weist mehrere erfindungsgemäße Solaranlagenmodule auf, wobei die Photovoltaikmodule und zumindest einige der Solaranlagenmodule miteinander elektrisch verbunden sind und/oder die Flüssigkeitskühlaggregate zumindest einiger der Solaranlagenmodule über Flüssigkeitsleitungen miteinander verbunden sind und/oder die Lüftungssystem zumindest einiger der Solaranlagenmodule über Lüftungsleitungen miteinander verbunden sind.
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Je nach Anforderung an eine Solaranlage kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Solaranlage ein energetisch vorteilhaftes System geschaffen werden. Beispielsweise können die Photovoltaikmodule mehrerer Solaranlagenmodule in Reihe geschaltet sein, wohingegen die Flüssigkeitskühlaggregate parallel verbunden sind.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Flüssigkeitskühlaggregate im Tichelmann-System miteinander verbunden sind. Dies hat den Vorteil, dass die Kühlflüssigkeit jeweils beim Durchlaufen eines Solaranlagenmoduls die gleiche Rohrlänge zurücklegen muss, wie bei dem benachbarten Solaranlagenmodul. Dadurch entstehen bei jedem Solaranlagenmodul die gleichen Druckverluste, so dass sich der Massenstrom der durch die Solaranlagenmodule geleiteten Kühlflüssigkeit gleichmäßig aufgeteilt wird. In ähnlicher Weise können auch die Lüftungssyteme der einzelnen Solaranlagenmodule geschaltet sein.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Lüftungssysteme eine Verbindung zu der Umgebung aufweisen und mit Außenluft speisbar sind. Dadurch lässt sich auf vorteilhafte Weise Außenluft in die Lüftungssysteme der Solaranlagenmodule leiten, so dass diese vorgewärmt und in ein Gebäude eingeleitet werden kann.
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Dazu können die Lüftungssysteme der Solaranlagenmodule mit einer Lüftungsanlage eines Gebäudes verbunden sein. Die Vorwärmung von Außenluft über die Lüftungssysteme der erfindungsgemäßen Solaranlagenmodule hat den Vorteil, dass der bei einer herkömmlichen Lüftungsanlage vorgesehene Wärmetauscher zur Vorwärmung der Luft kleiner dimensioniert oder vollständig weggelassen werden kann. Darüber hinaus lässt sich durch die Vorwärmung der Außenluft über die erfindungsgemäßen Solaranlagenmodule zusätzlich Solarenergie in ein Gebäude über die zugeleitete Luft einbringen.
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Die Photovoltaikmodule der erfindungsgemäßen Solaranlage können an ein Stromnetz oder mit einem elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einer Batterie, verbunden sein.
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Die Flüssigkeitskühlaggregate sind vorzugsweise mit einem Latentwärmespeicher, der beispielsweise in thermischer Verbindung zum Erdreich stehen kann, verbunden.
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Die erfindungsgemäße Solaranlage kann auf verschiedene Arten betrieben werden. Bei Sonneneinstrahlung auf Photovoltaikmodule kann mittels der Flüssigkeitskühlaggregate der Solaranlagenmodule die Photovoltaikmodule auf einen in Bezug auf den Wirkungsgrad der Photovoltaikmodule vorteilhaften Temperaturbereich heruntergekühlt werden. Die von den Flüssigkeitskühlaggregaten aufgenommene Abwärme kann an Außenluft, die durch das Lüftungssystem geleitet wird, abgegeben werden, so dass die Abwärme energetisch sinnvoll zur Erwärmung von Luft, die einem Lüftungssystem eines Gebäudes zugeführt wird, genutzt wird. Die Kühlungsflüssigkeit wird in einen Latentwärmespeicher geleitet, wo diese beispielsweise durch Wärmeaustausch mit dem Erdreich abgekühlt wird. Zu bestimmten Jahreszeiten kann es auch vorkommen, dass der Latentwärmespeicher eingefroren ist, so dass die Kühlflüssigkeit aus den Flüssigkeitskühlaggregaten zur Erwärmung des Latentwärmespeichers genutzt wird, bzw. die Kühlflüssigkeit von dem Latentwärmespeicher abgekühlt wird. Bei niedrigen Temperaturen kann auch vorgesehen sein, dass Abluft aus dem Gebäude durch das Lüftungssystem geleitet wird, wodurch die Kühlflüssigkeit, die durch die Flüssigkeitskühlaggregate geleitet wird, erwärmt wird, wodurch ein Wärmeeintrag in den Latentwärmespeicher ermöglicht wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn beispielsweise kein Wärmeeintrag in ein Solaranlagenmodul durch Sonnenstrahlung erfolgt. Der Latentwärmespeicher kann herkömmlicherweise mit einem Heizungssystem mit Wärmepumpe verbunden sein und zur Beheizung des Gebäudes genutzt werden.
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Die erfindungsgemäßen Solaranlagenmodule lassen sich somit in vorteilhafter Weise mit einem Latentwärmespeicher und einem Lüftungssystem eines Gebäudes kombinieren, wobei zusätzlich zu der Nutzung von solarer thermischer Energie für den Betrieb des Latentwärmespeichers und der Vorwärmung der Außenluft für die Lüftungsanlage mittels der Photovoltaikmodule elektrischer Strom erzeugt werden kann.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Solaranlagenmoduls im Schnitt und
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2 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Solaranlage.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Solaranlagenmodul 1 im Schnitt schematisch dargestellt. Das Solaranlagenmodul 1 weist ein Photovoltaikmodul 3 mit einer Flüssigkeitskühlung auf. Die Flüssigkeitskühlung besteht aus einem Flüssigkeitskühlaggregat 5, das an der Unterseite 3a des Photovoltaikmoduls 3 angeordnet ist. Das Flüssigkeitskühlaggregat 5 weist eine Oberseite 5a mit einer flächigen Struktur auf, die in vorteilhafter Weise mit dem Photovoltaikmodul 3, beispielsweise durch Verkleben, verbunden werden kann.
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Das Flüssigkeitskühlaggregat 5 weist eine plattenförmige Struktur auf, die in die plattenförmige Struktur eingelassene, innenliegende Flüssigkeitsleitungen 7 für eine Kühlflüssigkeit aufweist. Auf der von dem Photovoltaikmodul 3 abgewandten Unterseite 5b ist ein Lüftungssystem 9 angeordnet, wobei ein Wärmeaustausch zwischen einem durch das Lüftungssystem 9 geleiteten Gas, beispielsweise Luft, und dem Flüssigkeitsaggregat 5 erfolgt. Dazu weist das Flüssigkeitsaggregat 5 auf der Unterseite 5b eine Rippenstruktur 11 mit mehreren Rippen auf, die den Wärmeaustausch mit dem Gas begünstigen. Das Lüftungssystem 9 besteht aus einem Lüftungskanal 12 sowie einem durch den Lüftungskanal 12 geführten Lüftungsrohr 13. Durch den Lüftungskanal 12 kann beispielsweise Außenluft geleitet werden, die über von dem Flüssigkeitskühlaggregat abgeführte Abwärme des Photovoltaikmoduls erwärmt wird. Durch das Lüftungsrohr 13 kann beispielsweise Abluft aus einem Gebäude abgeführt werden.
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Das Solaranlagenmodul 1 weist eine Wärmedämmung 15 auf, die das Belüftungssystem 9 an der von dem Flüssigkeitskühlaggregat 5 abgewandten Seite umgibt. Dadurch kann verhindert werden, dass in das Solaranlagenmodul 1 eingetragene Wärme ungewollt an die Umgebung abgegeben wird. Die Wärmedämmung 15 kann bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Solaranlagenmoduls 1 auf einem Gebäude 110 auch teilweise durch die Dämmung des Gebäudes gebildet sein.
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In 2 ist eine erfindungsgemäße Solaranlage 100 schematisch dargestellt. Die Solaranlage 100 weist in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist fünft erfindungsgemäße Solaranlagenmodule 1 auf. Die Solaranlagenmodule 1 sind auf einem Gebäude 110 angeordnet. Die Solaranlage 100 weist einen Latentwärmespeicher 120 auf, der mit den Flüssigkeitskühlaggregaten 5 der Solaranlagenmodule 1 verbunden ist. Ferner ist der Latentwärmespeicher 120 mit einem Heizungssystem 130 mit einer Wärmepumpe des Gebäudes 110 verbunden. Die Photovoltaikmodule 3 der Solaranlagenmodule 1 sind über ein elektrisches Leitungssystem 140 mit einem elektrischen Energiespeicher 150, beispielsweise einer Batterie, verbunden. Das elektrische Leitungssystem 140 kann einen nicht dargestellten Wechselrichter aufweisen.
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Die Lüftungssysteme 9 der Solaranlagenmodule 1 sind mit einem Lüftungssystem 160 verbunden und weisen eine Außenluftleitung 170 auf, mit der sie mit der Umgebung verbunden sind. Über die Außenluftleitung 170 kann Außenluft in die Lüftungssysteme 9 der Solaranlagenmodule 1 eingeleitet werden, wobei die Außenluft über einen Wärmeaustausch mit den Flüssigkeitskühlaggregaten 5 erwärmt werden kann, bevor diese der Lüftungsanlage 160 zugeführt wird. Über die Lüftungssysteme 9, beispielsweise über Lüftungsrohre 13, kann auch Abluft aus dem Gebäude 110 durch die Außenluftleitung 170 in die Umgebung eingeleitet werden.
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Zur Leitung der Luft in der Lüftungsanlage 160 und dem Lüftungssystem 9 können nicht dargestellte Luftfördereinrichtungen, beispielsweise Ventilatoren, vorgesehen sein. Zur Förderung der Kühlflüssigkeit durch die Flüssigkeitskühlaggregate und den Leitungen zu dem Latentwärmespeicher 120 können nicht dargestellte Flüssigkeitsfördereinrichtungen, wie beispielsweise Pumpen, vorgesehen sein.
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Die Lüftungsanlage kann mit einem Sorptionslüftungsgerät verbunden sein, wodurch im Sommer die Außenluft in vorteilhafter Weise konditioniert werden kann.
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Die erfindungsgemäße Solaranlage 100 ermöglicht, dass in dem Gebäude 110 Strom über die Photovoltaikmodule 3 bereitgestellt wird, wobei über die Kühlung mittels der Flüssigkeitskühlaggregate 5 die Photovoltaikmodule 3 mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden können.
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Die Heizung des Gebäudes 110 erfolgt über die Heizungsanlage 130, die eine Wärmepumpe aufweist, und mit dem Latentwärmespeicher 120 zusammenwirkt. Der Latentwärmespeicher 120, der mit den Flüssigkeitskühlaggregaten 5 verbunden ist, dient somit als Wärmereservoir für die Heizungsanlage 130 und zur Kühlung der Photovoltaikmodule 5. Im Sommer dient der Latentwärmespeicher 120, der dazu mit dem umgebenen Erdreich thermisch gekoppelt ist, zur Kühlung der Kühlflüssigkeit der Flüssigkeitskühlaggregate 5. Im Winter wird der Latentwärmespeicher 120 mit Wärme aus dem Erdreich sowie der Abwärme aus den Photovoltaikmodulen 3 versorgt.
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Das Gebäude 110 wird über die Lüftungsanlage 160 belüftet, wobei die zugeleitete Außenluft über die Lüftungssysteme 9 und die Flüssigkeitskühlaggregate 5 vorgewärmt werden kann. Im Winter kann Abluft aus dem Gebäude 110 den Flüssigkeitskühlaggregaten 5 zugeführt werden, indem die Abluft über die Lüftungsanlage 160 durch die Lüftungssysteme 9 geleitet wird. Dadurch kann die Wärme der Abluft rückgewonnen werden und über die Kühlflüssigkeit dem Latentwärmespeicher 120 zugeführt werden.
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Die erfindungsgemäßen Solaranlagenmodule 1 können auf dem Dach eines Gebäudes 110 angeordnet sein oder in die Fassade eines Gebäudes 110 integriert sein.
