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Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für die Inverterschaltung eines Photovoltaikmoduls.
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Photovoltaikanlagen, die elektrische Energie durch Umwandlung der im Sonnenlicht enthaltenen Energie bereitstellen, um sie in ein Verteilsystem, beispielsweise ein lokales oder ein öffentliches Versorgungsnetz, einzuspeisen oder direkt angeschlossene Verbraucher zu versorgen, sind allgemein bekannt. Photovoltaikanlagen sind dabei üblicherweise Zusammenschaltungen einer Vielzahl von Photovoltaikmodulen. Starre Photovoltaikmodule bestehen üblicherweise aus siliziumbasierten photovoltaischen Zellen, die auf einen Aluminiumrahmen montiert und von einer Glasplatte abgedeckt sind. Die photovoltaischen Zellen werden hier mechanisch durch das Modul vor Umwelteinflüssen geschützt.
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Es hat sich für verschiedene Anwendungsfälle als vorteilhaft herausgestellt, die für die Anpassung der von den Zellen gelieferten (Gleich-)Spannung an die Anforderungen des lokalen oder öffentlichen Netzes bzw. des angeschlossenen Verbrauchers erforderliche Inverterschaltung direkt an der Rückwand des Moduls zu montieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein für die Montage an der Rückwand eines Photovoltaikmoduls geeignetes Gehäuse für die Inverterschaltung des Photovoltaikmoduls anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Gehäuse für eine Inverterschaltung, das zur Montage an der Rückwand, insbesondere an einer Rückwand, eines Photovoltaikmoduls vorgesehen ist, wobei das Gehäuse hierfür eine im wesentlichen plane Gehäusewand aufweist, wobei die Gehäusewand eine längliche, von einer Seite der Gehäusewand zur anderen Seite der Gehäusewand reichende Aussparung, beispielsweise eine Nut, aufweist, die im montierten Zustand gemeinsam mit der Rückwand des Photovoltaikmoduls einen Kanal bildet, durch den Umgebungsluft strömen kann und der Kanal somit einen Kühlkanal bildet. Dabei ist die Aussparung bezüglich einer im Gehäuse montierbaren Leiterplatte der Inverterschaltung so in der Gehäusewand angeordnet, dass durch die Aussparung (bzw. im Bereich der Aussparung) der Abstand zwischen der Gehäusewand und einem auf der Leiterplatte angeordneten zu kühlenden Bauteil verringert wird.
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Dadurch wird auf einfache Weise die Kühlung von Bauteilen der Inverterschaltung, hauptsächlich beispielsweise des/der Leistungshalbleiter(s), auf dreierlei Weise verbessert: erstens verringert sich der zu überwindende thermische Widerstand zwischen Bauteil und Gehäuse durch den verringerten Abstand zwischen Bauteil und Gehäusewand durch die in diesem Bereich in das Gehäuse hineinragende Gehäusewand, die von außen gesehen die Aussparung bzw. den Kanal bildet. Zweitens wird an dieser Stelle die Wärmeableitung durch eine Luftströmung durch den Kanal deutlich verbessert gegenüber den Bereichen mit planer Auflage der Gehäusewand am Photovoltaikmodul. Die Luftströmung kann dabei durch Lüfter erzwungen werden und/oder sich durch Umgebungsluftströmungen wie den Wind und/oder durch thermische Konvektion, speziell einen Kamineffekt, bilden. Und drittens wird, durch die thermische Konvektion im Kanal, ein zusätzlicher thermischer Abstand zwischen dem zu kühlenden Bauteil und dem aufgrund der im Betrieb notwendigerweise auftretenden Sonneneinstrahlung erhitzten Photovoltaikmodul geschaffen und der Kontakt zwischen Gehäuse und Photovoltaikmodul an dieser thermisch belasteten Stelle vermieden. Umgekehrt so auch vermieden, dass Abwärme vom Leistungshalbleiter an das Photovoltaikmodul geleitet wird und zu dessen Erwärmung beiträgt.
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Besonders vorteilhaft wirkt sich ein derartiges Gehäuse im Zusammenhang mit Klebverbindungen zwischen Gehäusewand und Rückwand des Photovoltaikmoduls aus, da der Kleber zusätzlich isolierend wirkt und eine Wärmeableitung von der Gehäusewand an das Photovoltaikmodul erschwert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Aussparung so geformt, dass der Kanal in einer überwiegend senkrechten Richtung verläuft, um einer aufsteigenden Wärmeströmung im Kanal wenig Widerstand entgegenzusetzen und/oder den Kamineffekt zu befördern. Das bedeutet aber nicht, dass der Kanal einer einfachen geometrischen Form folgen muss; beispielsweise wenn sich auf der Leiterplatte mehrere zu kühlende Bauteile befinden, kann der Verlauf der Aussparung dieser Anordnung folgen. Im Wesentlichen quader- oder halbzylinderförmige Kanalformen haben allerdings Vorteile, beispielsweise weisen sie optimale Durchströmungseigenschaften auf und bieten wenig Angriffslinien für Verschmutzung, Kondensation und dergleichen.
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In vorteilhaften Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind die im Gehäuse verbleibenden Freiräume mit Luft gefüllt.
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In anderen Ausgestaltungen sind diese Freiräume mit einem Vergussmaterial verfüllt, um eine bessere mechanische Stabilität von Gehäuse und/oder Inverterschaltung und/oder Leiterplatte zu gewährleisten und/oder um die elektrischen Bauteile besser vor Feuchtigkeit, insbesondere Luftfeuchtigkeit und Kondensation zu schützen. Vorzugsweise weist das Vergussmaterial eine größere thermische Leitfähigkeit als Luft auf, um eine verbesserte Kühlung zu kühlender Bauteile gegenüber der kostengünstigeren Luftfüllung zu erreichen.
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In vorteilhaften Ausgestaltungen weist die Aussparung zumindest eine Kühlrippe auf, die im Bereich der Aussparung aus der Gehäusewand in den Kanal hineinragt und somit die umströmte Fläche im Kanal erhöht.
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Ein durch die verbesserte Kühlung erreichbarer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass mit einer geringe Gehäusebauhöhe die gleiche Wärmemenge abgeleitet werden kann, als dies bei einem Gehäuse mit planer Rückwand ohne Kanal der Fall wäre. Insbesondere kann eine Gehäusetiefe erreicht werden, die geringer als 25 mm ist (25 mm ist dabei eine typische Rahmentiefe).
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Photovoltaikmodul mit einer rückseitig montierten Inverterschaltung, die in einem Gehäuse wie vorstehend beschrieben montiert ist.
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Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung eine Photovoltaikanlage mit einer Mehrzahl derartiger Photovoltaikmodule.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von drei Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt einen Schnitt durch ein Gehäuse gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, quer zum Verlauf der Aussparung bzw. des Kanals.
- 2 zeigt ein Gehäuse gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Darstellung.
- 3 zeigt einen Schnitt durch ein Gehäuse gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, quer zum Verlauf der Aussparung bzw. des Kanals.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines Schnitts durch ein Gehäuse gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Der Schnitt erfolgte dabei parallel zur x-y-Ebene (gewähltes x-y-z Koordinatensystem siehe 2).
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Das Gehäuse ist mit der Gehäuserückwand 12 an der Rückwand 20 eines Photovoltaikmoduls montiert dargestellt. Die Montage kann dabei, wie bereits erwähnt, kostengünstig mittels Klebeverbindung erfolgen. Andere Verbindungsarten sind aber natürlich ebenfalls möglich, beispielsweise Schnappverbindungen, das Einschieben des Gehäuses von oben in Führungsschienen, die an der Rückwand 20 eines Photovoltaikmoduls angebracht sind, Schraubverbindungen, usw. Im Folgenden werden ohne Einschränkung der Allgemeinheit Klebeverbindungen betrachtet, da diese kostengünstig sind und eine nicht ohne weiteres lösbare Verbindungsform darstellen, die im Vergleich zu Schraubverbindungen zumindest einen gewissen Schutz vor Diebstählen und böswilligen Veränderungen an der Anlage bieten.
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Rückwand 12 und eine Vorderwand 11 des Gehäuses umschließen, ggf. in Zusammenwirkung mit Seitenwänden, die hier nicht weiter betrachtet werden, einen Raum, in dem sich eine Leiterplatte 15 befindet, auf welcher die Inverterschaltung realisiert ist. Leiterplatte 15 unterteilt diesen Raum in einen ersten Raumabschnitt 16 zwischen Leiterplatte 15 und Vorderwand 11 sowie einen zweiten Raumabschnitt 17 zwischen Leiterplatte 15 und Rückwand 12. Im zweiten Raumabschnitt 17 befindet sich ein zu kühlendes Bauteil 14 der Inverterschaltung, beispielsweise ein Leistungshalbleiterschalter.
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Beide Raumabschnitte 16, 17 sind im in 1 dargestellten Beispiel mit Luft gefüllt. Dies ist eine besonders kostengünstige Lösung, aber natürlich können andere Gase und insbesondere überschlagshemmende Isoliergase ebenfalls als Füllung verwendet werden, wobei die dann erforderlichen gasdichten Gehäuse oder Gehäuseabschnitte zu einer entsprechenden Verteuerung des Gehäuseaufbaus führen.
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Die Verlustwärme des Bauteils 14 wird in alle Richtungen abgegeben, schematisch dargestellt durch verschiedene Pfeile, wobei auf Darstellung der Wärmeabgabe in Richtung der Seitenwände des Gehäuses verzichtet wurde.
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In Richtung der vorderen Gehäusewand 11 wird Verlustwärme hauptsächlich durch Wärmeleitung zunächst von der Leiterplatte 15 aufgenommen und von dieser in den ersten Raumabschnitt 16 in Richtung der Vorderwand 11 in Form von Wärmestrahlung abgegeben sowie von der im Gehäuse befindlichen Luft durch Strömung zur Vorderwand 11 transportiert. Die Vorderwand 11 ihrerseits gibt die Wärme dann an die sie umströmende Umgebungsluft ab.
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In Richtung der hinteren Gehäusewand 12 wird Verlustwärme hauptsächlich in Form von Wärmestrahlung in den zweiten Raumabschnitt 17 abgegeben sowie von der im Gehäuse befindlichen Luft durch Strömung zur Rückwand 12 transportiert. Erfindungsgemäß weist die ansonsten im Wesentlichen plane Gehäusewand in dem Bereich, in dem das zu kühlende Bauteil 14 angeordnet ist, eine Aussparung (von außen gesehen) bzw. eine Auskragung (von innen gesehen) auf, wodurch sich in diesem Bereich der Abstand zwischen Leiterplatte 15 und Rückwand 12 verringert, die Rückwand 12 sich also erkennbar näher an dem zu kühlenden Bauteil 14 befindet und somit der Übertritt der Verlustwärme auf die Rückwand 20 begünstigt wird.
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Gleichzeitig sorgt die Aussparung, die sich entlang der z-Achse über die gesamte Ausdehnung des Gehäuses erstreckt, dafür, dass zwischen Rückwand 12 des Gehäuses und der Rückwand 20 des Photovoltaikmoduls ein Kanal 13 bildet, der aufgrund seiner Ausrichtung im Wesentlichen entlang der z-Achse (d.h. von unten nach oben) die Wärmeableitung durch einen Kamineffekt begünstigt. Weniger vorteilhaft, aber möglich, wäre die Ausrichtung des Kanals entlang der x-Achse, wobei dann ein Kamineffekt nicht auftreten wird und eine zwangsweise Durchströmung des Kanals erforderlich werden wird. Neben der Umgebungsluft kann natürlich auch ein anderes Medium den Kanal 13 durchströmen, beispielsweise kann der Kanal 13 in einen Kühlkreislauf der Photovoltaikanlage eingebunden werden.
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2 zeigt das im Zusammenhang mit 1 beschriebene beispielhafte Gehäuse 10 in einer perspektivischen Darstellung. Die Strömung der Umgebungsluft durch den Kanal 13 ist dabei durch Pfeil 131, 132 angedeutet, wobei an der im eingebauten Zustand untenliegenden Öffnung des Kanals Luft einströmt (erster Pfeil 131) und an der obenliegenden Öffnung des Kanals entweicht (zweiter Pfeil 132).
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3 schließlich zeigt einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung eines Gehäuses gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Der Schnitt erfolgte dabei ebenfalls parallel zur x-y-Ebene. Auf die Wiederholung der Beschreibung von Elementen, die im Zusammenhang mit 1 bereits erläutert wurden, wird im Interesse einer kompakten Darstellung an dieser Stelle verzichtet.
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Gegenüber dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel drei Kühlrippen 121 im Kanal 13 auf. Diese Kühlrippen sind im Bereich der Aussparung der Rückwand 12 des Gehäuses an der Rückwand angebracht und befördern den Wärmeaustausch zwischen Raumabschnitt 17 im Inneren des Gehäuses und dem Kanal 13, indem die Abwärme von der Gehäuserückwand zumindest teilweise auch an die Kühlrippen 121 weitergeleitet und von diesen an das Medium im Kanal 13 abgegeben wird. Durch die Kühlrippen erhöht sich die gesamte zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Fläche und die Ableitung der Abwärme und damit die Kühlung des Bauteils 14 verbessert sich entsprechend. Die Kühlrippen müssen sich dabei nicht über die gesamte Länge des Kanals 13 erstrecken. Es kann beispielsweise genügen, Kühlrippen entlang der Ausdehnung des Bauteils 14 in z-Richtung vorzusehen, ggf. zuzüglich eines Überstandes über die Ausdehnung des Bauteils 14 in z-Richtung hinaus.
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Die in 3 dargestellten Kühlrippen können im Zusammenhang mit dem in 1 beschriebenen luft- oder gasgefüllten Gehäuse verwendet werden.
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3 zeigt davon abweichen den Fall, dass die Raumabschnitte 16, 17 mit einer Vergussmasse verfüllt sind, welche die Verlustwärme unter anderem des Bauteils 14 in Richtung der Gehäusewände 11, 12 ableitet. Die in luftgefüllten Raumabschnitten auftretende Wärmestrahlung spielt dann praktisch keine Rolle mehr, vielmehr wird Verlustwärme in Richtung der vorderen Gehäusewand 11 durch Wärmeleitung zunächst von der Leiterplatte 15 aufgenommen und von dieser an die Vergussmasse im ersten Raumabschnitt 16 abgegeben. Die Vergussmasse ihrerseits leitet die Wärme zur Vorderwand 11, von wo aus sie an die umströmende Umgebungsluft abgegeben wird.
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In Richtung der hinteren Gehäusewand 12 wird die Verlustwärme von der Vergussmasse im zweiten Raumabschnitt 17 zur Rückwand 12 transportiert und dort wie dargestellt mithilfe der Kühlrippen 121 (oder in anderen Ausführungsbeispielen auch ohne Kühlrippen) in den erfindungsgemäßen Kanal 13 abgegeben.
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Es sei darauf hingewiesen, dass zur Vereinfachung der Darstellung nur ein zu kühlendes Bauteil 14 dargestellt und beschrieben wurde. Natürlich kann auf die beschriebene Weise die Abwärme mehrerer Bauteile besser an die Umgebungsluft abgegeben werden, entweder indem mehrere Kanäle 13 gebildet werden oder indem die Form eines Kanals an die Lage der Bauteile angepasst wird - im einfachsten Fall durch einen entsprechend breiten Kanal oder durch eine nicht geradlinige Führung des Kanals, wenn eine Verbreiterung nicht infrage kommt, beispielsweise weil sonst die Mindestklebefläche unterschritten wird.
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Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die Darstellung nicht maßstäblich ist und dass das zu kühlende Bauteil 14 in Ausführungsbeispielen mit einem Kühlkörper ausgerüstet sein kann, um die Abwärme besser im zweiten Raumabschnitt 17 zu verteilen, und dass in anderen Ausführungsbeispielen auf einen Kühlkörper verzichtet werden kann, insbesondere dann, wenn eine Vergussmasse eingesetzt wird, die eine ausreichende Wärmeableitung gewährleistet.
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Das Gehäuse kann in bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung aus einem Polymer gefertigt werden, denn Polymere erlauben die kostengünstige Herstellung witterungsbeständiger, elektrisch isolierender Gehäuse.
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Die Tiefe des Kanals in y-Richtung kann in Ausführungsbeispielen der Erfindung, in denen Leistungshalbleiter mit einer Bauhöhe von 600-900 µm eingesetzt werden, 15-20 mm betragen, insbesondere dann, wenn der Abstand zwischen Leiterplatte 15 und Rückwand 20 aufgrund hoher Bauteile wie Kondensatoren oder Spulen bereits mindestens 20 mm beträgt. Solche flachen Inverter sind beispielsweise aus der internationalen Anmeldung PCT/EP2018/083013 vom 29.11.2018 der gleichen Anmelderin bekannt.
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Anders formuliert muss aufgrund des erfindungsgemäßen Kanals die Tiefe des Gehäuses insgesamt nicht vergrößert werden; es genügt, die Führung des Kanals und/oder die Platzierung von Bauteilen auf der Leiterplatte so zu wählen, dass hohe Bauteile nicht in Konflikt mit dem Kanal geraten.
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In bevorzugten Ausführungsbeispielen werden zumindest für die Rückwand 12 und/oder für die Vergussmasse Stoffe mit verbesserter thermischer Leitfähigkeit verwendet, die dem Fachmann beispielsweise aus der Publikation Egelkraut, Sven & Zeltner, Stefan & Maerz, Martin & Eckardt, Bernd, 2008, Wärmeleitfähige Kunststoffe für Entwärmungsaufgaben bekannt sind (zum Donwload verfügbar unter https://www.researchgate.net/publication/267845546_Warmeleitf ahige_Kunststoffe_fur_Entwarmungsaufgaben) .
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Von Vorteil ist auch, dass die erfindungsgemäße verbesserte Kühlung das Gesamtgewicht der montagefertigen Inverterbaugruppe nicht erhöht. Falls das Gehäuse mit Vergussmasse gefüllt wird, verringert sich sogar das Gewicht und der Bedarf an Vergussmasse, weil sich das Innenvolumen des Gehäuses jedenfalls annäherungsweise um das Volumen des Kanals verringert.
