DE102022101300A1

DE102022101300A1 - Photovoltaik-Thermie-Modul

Info

Publication number: DE102022101300A1
Application number: DE102022101300.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Viebrock; Johannes Kühn
Original assignee: VIEBROCKHAUS AG
Current assignee: VIEBROCKHAUS AG
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-07-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Photovoltaik-Thermie-Modul, umfassend ein Photovoltaikmodul und einen Wärmetauscher, der im montierten Zustand des Photovoltaik-Thermie-Moduls auf der der Sonne abgewandten Rückseite des Photovoltaikmoduls angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher mindestens eine im Betrieb von einem Wärmeträgerfluid durchströmte Leitung und eine Vielzahl von mit der mindestens einen Leitung und mit der Umgebungsluft in thermischem Austausch stehende Wärmetauscherflächen aufweist, wobei die mindestens eine Leitung einen Abstand von dem Photovoltaikmodul aufweist, und wobei die Umgebungsluft das Photovoltaikmodul durch Freiräume zwischen den Wärmetauscherflächen anströmen kann, wobei die Wärmetauscherflächen einen Abstand von dem Photovoltaikmodul aufweisen, so dass kein direkter Kontakt zwischen den Wärmetauscherflächen und dem Photovoltaikmodul besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Photovoltaik-Thermie-Modul, umfassend ein Photovoltaikmodul und einen Wärmetauscher, der im montierten Zustand des Photovoltaik-Thermie-Moduls auf der der Sonne abgewandten Rückseite des Photovoltaikmoduls angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher mindestens eine im Betrieb von einem Wärmeträgerfluid durchströmte Leitung und eine Vielzahl von mit der mindestens einen Leitung und mit der Umgebungsluft in thermischem Austausch stehenden Wärmetauscherflächen aufweist, wobei die mindestens eine Leitung einen Abstand von dem Photovoltaikmodul aufweist, und wobei die Umgebungsluft das Photovoltaikmodul durch Freiräume zwischen den Wärmetauscherflächen anströmen kann.
Photovoltaik-Thermie-Module sind Kombinationsmodule aus Photovoltaik zur Stromerzeugung und thermischer Nutzung von Solarkollektoren. Das Photovoltaikmodul ist mit seiner Vorderseite im montierten Zustand der Sonne zugewandt, so dass die Solarzellen des Photovoltaikmoduls die mit der Sonnenstrahlung auftreffende solare Energie in elektrische Energie umwandeln. Bei Photovoltaik-Thermie-Modulen befindet sich auf der im montierten Zustand der Sonne abgewandten Rückseite des Photovoltaikmoduls ein Wärmetauscher, der üblicherweise ein von einem Wärmeträgerfluid, beispielsweise einer Wärmeträgerflüssigkeit, durchströmtes Leitungssystem aufweist. Das Wärmeträgerfluid nimmt Wärme von dem sich im Betrieb erwärmenden Photovoltaikmodul auf und kühlt dieses entsprechend zur Effizienzsteigerung der Energieumwandlung. Die aufgenommene Wärme wird von dem Wärmeträgerfluid abgeführt und kann zum Beispiel als Wärmequelle einer Wärmepumpe des mit dem Photovoltaik-Thermie-Moduls ausgestatteten Gebäudes genutzt werden. Das durch das Leitungssystem geführte Wärmeträgerfluid nimmt dabei je nach Anordnung auch thermische Energie aus der einfallenden Sonnenstrahlung auf.
Ein Photovoltaik-Thermie-Modul der eingangs genannten Art ist zum Beispiel bekannt aus EP 3 497 381 Bl. Bei diesem Photovoltaik-Thermie-Modul sind quer zur Erstreckungsebene des Photovoltaikmoduls angeordnete Flächen eines Wärmeübertragers vorgesehen, die mit der Umgebungsluft in Kontakt stehen und zwischen sich Freiräume bilden. Umgebungsluft kann durch die Freiräume bis zum Photovoltaikmodul strömen. Für eine ausreichende Anströmung des Photovoltaikmoduls weisen die Flächen des Wärmeübertragers einen Abstand zwischen 10 und 50 mm auf. Zur effektiven Wärmeübertragung von dem Photovoltaikmodul auf die Flächen des Wärmeübertragers und damit auf das Wärmeträgerfluid liegen die Flächen des Wärmeübertragers direkt auf dem Photovoltaikmodul auf. Auf diese Weise soll ein kostengünstig in einem industriellen Fertigungsverfahren herstellbares Photovoltaik-Thermie-Modul bereitgestellt werden mit einem hohen Wärmedurchgangskoeffizienten von Umgebungsluft zum Wärmeträgermedium. Durch die direkte Kopplung des Photovoltaikmoduls und des Wärmeübertragers soll das Photovoltaikmodul auch ohne Kühlung durch das Wärmeträgerfluid gut durch Umgebungsluft gekühlt werden.
Problematisch an dem bekannten Photovoltaik-Thermie-Modul ist einerseits, dass es bei niedrigen Außentemperaturen zu einer Kondensation und Vereisung des Photovoltaikmoduls kommen kann, wodurch der Wirkungsgrad mindestens erheblich reduziert wird. Außerdem kann es im Betrieb zu thermischen Verspannungen zwischen dem Photovoltaikmodul und den mit diesen verbundenen Flächen des Wärmeübertragers kommen, die im Extremfall zu einer Beschädigung von Komponenten des Photovoltaikmoduls führen können.
Ausgehend von dem erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Photovoltaik-Thermie-Modul der eingangs genannten Art bereitzustellen, das bei kostengünstiger Herstell- und Montierbarkeit und effizienter Wärmeübertragung von dem Photovoltaikmodul auf den Wärmetauscher das Risiko von Vereisungen und thermischen Spannungen des Photovoltaikmoduls minimiert.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Photovoltaik-Thermie-Modul nach Anspruch 1. Die Aufgabe wird auch durch ein Gebäude nach Anspruch 9 mit einem erfindungsgemäßen Photovoltaik-Thermie-Modul gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Für ein Photovoltaik-Thermie-Modul der eingangs genannten Art löst die Erfindung die Aufgabe dadurch, dass die Wärmetauscherflächen einen Abstand von dem Photovoltaikmodul aufweisen, so dass kein direkter Kontakt zwischen den Wärmetauscherflächen und dem Photovoltaikmodul besteht.
Das bei dem erfindungsgemäßen Photovoltaik-Thermie-Modul vorgesehene Photovoltaikmodul weist in an sich bekannter Weise eine Vielzahl von miteinander verknüpften Solarzellen auf, die auf die im montierten Zustand der Sonne zugewandte Vorderseite des Photovoltaikmoduls auftreffende solare Energie in elektrische Energie umwandeln. Die Solarzellen können in an sich bekannter Weise auf einer Folie angeordnet sein. Das erfindungsgemäße Photovoltaik-Thermie-Modul weist weiterhin einen auf der im montierten Zustand der Sonne abgewandten Rückseite des Photovoltaikmoduls angeordneten Wärmetauscher auf. Der Wärmetauscher umfasst eine oder mehrere im Betrieb von einem gasförmigen oder flüssigen Wärmeträgerfluid durchströmte Leitung sowie eine Vielzahl von mit der mindestens einen Leitung und mit der Umgebungsluft in thermischem Kontakt stehende Wärmetauscherflächen auf. Die Wärmetauscherflächen sind von Umgebungsluft umströmt. Gleichzeitig kann die die Wärmetauscherflächen umströmende Umgebungsluft das Photovoltaikmodul durch die zwischen benachbarten Wärmetauscherflächen gebildeten Freiräume anströmen. Auf diese Weise stehen sowohl die mindestens eine Leitung bzw. das in ihr geführte Wärmeträgerfluid, als auch die Wärmetauscherflächen in thermischem Austausch mit dem Photovoltaikmodul. Der thermische Austausch zwischen den Wärmetauscherflächen und der mindestens einen Leitung kann durch direkten Kontakt zwischen der mindestens einen Leitung und den Wärmetauscherflächen erfolgen. Außerdem kann auch hier ein weiterer Wärmeaustausch durch die Wärmetauscherflächen und die mindestens eine Leitung umströmende Umgebungsluft erfolgen. Zusätzlich ist auch eine Erwärmung der mindestens einen Leitung durch Sonneneinstrahlung möglich, soweit Sonnenstrahlung auf die Wärmetauscherflächen bzw. die mindestens eine Leitung auftrifft. Indem die mindestens eine Leitung in thermischem Austausch mit der Umgebungsluft stehen kann, insbesondere von der Umgebungsluft umströmt sein kann, kann sie auch über die Umgebungsluft in thermischem Austausch mit dem Photovoltaikmodul stehen.
Die mindestens eine Leitung kann zum Beispiel einen mäanderförmigen Verlauf besitzen, um den Wärmeaustausch mit den Wärmetauscherflächen und gegebenenfalls der Umgebungsluft zu maximieren. Das durch die mindestens eine Leitung strömende gasförmige oder flüssige Wärmeträgerfluid transportiert aufgenommene Wärme ab für eine weitere Verwendung, beispielsweise als Wärmequelle einer mit dem erfindungsgemäßen Photovoltaik-Thermie-Modul gekoppelten Wärmepumpe oder ähnlichem, zum Beispiel eines Gebäudes, wie eines Wohngebäudes, zum Beispiel eines Einfamilienhauses oder Mehrfamilienhauses.
Wie bereits erläutert, kann die mit den Wärmetauscherflächen und gegebenenfalls der mindestens einen Leitung in thermischem Austausch stehende Umgebungsluft das Photovoltaikmodul durch die zwischen den Wärmetauscherflächen gebildeten Freiräume anströmen bzw. das Photovoltaikmodul anströmende Umgebungsluft kann die Wärmetauscherflächen und gegebenenfalls die mindestens eine Leitung umströmen. Dadurch wird ein effektiver Abtransport von Wärme des Photovoltaikmoduls und dadurch eine indirekte Kühlung des Photovoltaikmoduls erreicht. Hierdurch kann die Effizienz des Photovoltaikmoduls gesteigert werden. Gleichzeitig wird die abtransportierte Wärme über die Wärmetauscherflächen an das in der mindestens einen Leitung strömende Wärmeträgerfluid abgegeben und kann so einer weiteren Nutzung zugeführt werden.
Erfindungsgemäß weisen die Wärmetauscherflächen (und die mindestens eine Leitung) einen Abstand von dem Photovoltaikmodul auf, so dass kein direkter Kontakt zwischen den Wärmetauscherflächen (und der mindestens einen Leitung) und dem Photovoltaikmodul besteht. Es besteht insbesondere kein direkter mechanischer Kontakt bis auf einen mechanischen Kontakt an einem das Photovoltaikmodul umgebenden Rahmen. Es existiert damit keine direkte thermische Verbindung bzw. kein direkter thermischer Wärmeübergang zwischen den Wärmetauscherflächen (und der mindestens einen Leitung) und dem Photovoltaikmodul. Es ist vielmehr zwischen dem Wärmetauscher, insbesondere den Wärmetauscherflächen und der mindestens einen Leitung, einerseits und dem Photovoltaikmodul andererseits ein durch den Abstand gebildeter Freiraum vorgesehen. Dieser Freiraum weist einen freien Zugang für Umgebungsluft auf. Er kann dazu insbesondere zu allen Seiten hin offen sein. Es handelt sich insbesondere nicht um einen durch entsprechende Wände oder Flächen begrenzten Kanal.
Durch die Vermeidung des direkten Kontakts zwischen dem Photovoltaikmodul und dem Wärmetauscher wird eine Kondensations- und damit Vereisungsverzögerung des Photovoltaikmoduls erreicht. Der durch den erfindungsgemäßen Abstand zwischen dem Photovoltaikmodul und dem Wärmetauscher verhinderte direkte Kontakt verhindert eine schnelle Temperaturübertragung sowie eine Kondensation und Vereisung an dem Photovoltaikmodul, insbesondere einer Glaskomponente des Photovoltaikmoduls. Dadurch wird der mit einer Kondensation bzw. Vereisung verbundene elektrische Leistungseinbruch des Photovoltaikmoduls verhindert oder zumindest minimiert. Außerdem werden thermische Spannungen zwischen den sich unterschiedlich thermisch ausdehnenden Komponenten des Photovoltaikmoduls und des Wärmetauschers aufgrund des vermiedenen direkten Kontakts verhindert. Das Risiko entsprechender Beschädigungen ist minimiert. Gleichzeitig lässt sich das erfindungsgemäße Photovoltaikmodul in einfachen industriellen Fertigungsverfahren kostengünstig herstellen sowie einfach montieren und es wird eine effektive Kühlung des Photovoltaikmoduls und Bereitstellung der vom Photovoltaikmodul abgeführten Wärme zur weiteren Nutzung zum Beispiel in einer Wärmepumpe erreicht. Weiterhin erlaubt die Erfindung die Nutzung von Standard-Photovoltaikmodulen, wodurch weitere Kostenvorteile erreicht werden können.
Die mindestens eine Leitung des Wärmetauschers erlaubt eine einfache hydraulische Verschaltung, beispielsweise eine Parallelverschaltung oder ein Verteilersystem. Als Standardbauform kann eine Längsanordnung gewählt werden. Es sind aber auch andere Anordnungen möglich. Unterschiedliche Systemkonfigurationen erlauben den Einsatz des erfindungsgemäßen Photovoltaik-Thermie-Moduls sowohl in Einfamilienhäusern als auch in Mehrfamilienhäusern.
Die Wärmetauscherflächen und die mindestens eine Leitung können aus einem gut wärmeleitenden Material, wie einem Metall bestehen. Geeignete Metallwerkstoffe sind zum Beispiel Aluminium, Edelstahl oder Kupfer.
Gemäß einer Ausgestaltung können die Wärmetauscherflächen als quer zur Erstreckungsebene des Photovoltaikmoduls angeordnete Wärmetauscherflächen, insbesondere Wärmetauscherlamellen, ausgebildet sein. Die Wärmetauscherflächen können insbesondere senkrecht zur Erstreckungsebene des Photovoltaikmoduls ausgebildet sein. Grundsätzlich können die Wärmetauscherflächen parallel zueinander angeordnet sein. Durch die vorgenannte Ausgestaltung wird eine besonders wirksame Anströmung des Photovoltaikmoduls durch Umgebungsluft und damit eine besonders effiziente Wärmeübertragung erreicht.
Die mindestens eine Leitung kann zumindest einige der Wärmetauscherflächen, insbesondere sämtliche der Wärmetauscherflächen, durchdringen. Zum Beispiel bei einem mäanderförmigen Verlauf der mindestens einen Leitung ist ein mehrfaches Durchtreten der Wärmetauscherflächen möglich. Beim Durchtritt kann jeweils ein direkter Kontakt zwischen den Wärmetauscherflächen und der mindestens einen Leitung bestehen. Durch die vorgenannte Ausgestaltung wird ein besonders effektiver Wärmeübergang von den Wärmetauscherflächen auf die mindestens eine Leitung bzw. das darin zirkulierende Wärmeträgerfluid erreicht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann zwischen benachbarten Wärmetauscherflächen ein Abstand von weniger als 10 mm, vorzugsweise weniger als 8 mm, weiter vorzugsweise von 6 mm oder weniger als 6 mm, bestehen. Grundsätzlich kann zwischen sämtlichen Wärmetauscherflächen derselbe Abstand bestehen. Sofern unterschiedliche Abstände vorliegen, sind vorliegend Maximalabstände angegeben. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass im Gegensatz zum oben genannten Stand der Technik ein geringerer Abstand zwischen den Wärmetauscherflächen für eine effektive Luftanströmung und damit Wärmeabfuhr von dem Photovoltaikmodul geeignet und ausreichend ist. Gleichzeitig kann durch den geringeren Abstand eine größere Dichte an Wärmetauscherflächen und damit eine effektivere Wärmeaufnahme aus der Umgebungsluft und Abgabe an das Wärmeträgerfluid in der mindestens einen Leitung erreicht werden.
Der Abstand der Wärmetauscherflächen von dem Photovoltaikmodul kann nach einer weiteren Ausgestaltung mindestens 1 mm, vorzugsweise mindestens 2 mm, weiter vorzugsweise mindestens 3 mm, weiter vorzugsweise nicht mehr als 30 mm, betragen. Der Abstand sämtlicher Wärmetauscherflächen zu dem Photovoltaikmodul kann gleich sein. Sofern unterschiedliche Abstände vorliegen, sind vorliegend Minimalabstände angegeben. Die mindestens eine Leitung ist regelmäßig weiter von dem Photovoltaikmodul beabstandet als die Wärmetauscherflächen. Durch einen solchen Abstand wird die Gefahr der Kondensation bzw. Vereisung und thermischer Verspannung des Photovoltaikmoduls besonders sicher verhindert.
Zwischen den Wärmetauscherflächen oder der mindestens einen Leitung einerseits und dem Photovoltaikmodul andererseits können gemäß einer weiteren Ausgestaltung Abstandhalter aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 1 W/(m K) angeordnet sein. Derartige Abstandhalter können abhängig von der Flächenausdehnung des Photovoltaikmoduls bzw. des in der Regel eine ähnliche oder die gleiche Flächenausdehnung aufweisenden Wärmetauschers erforderlich sein, um jederzeit und über die gesamte Fläche den erfindungsgemäßen Abstand gleichmäßig sicherzustellen. Insbesondere wird durch derartige Abstandhalter ein Durchhängen von Komponenten und damit eine Veränderung des Abstands vermieden. Indem die Abstandhalter aus einem Material mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen, wird der direkte thermische Übergang zwischen dem Photovoltaikmodul und den Wärmetauscherflächen dennoch vermieden bzw. weitestgehend minimiert.
Gemäß einer besonders praxisgemäßen Ausgestaltung können die Abstandhalter aus einem Silikonmaterial bestehen. Ein solches Silikonmaterial kann eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 0,5 W/(m K) besitzen.
Der Wärmetauscher kann nach einer weiteren Ausgestaltung an einem das Photovoltaikmodul umgebenden Rahmen befestigt sein. Der Rahmen kann das gesamte Photovoltaik-Thermie-Modul umgeben. Er kann zum Beispiel als Metallrahmen ausgebildet sein, zum Beispiel aus Aluminium oder Edelstahl. Zur Befestigung des Wärmetauschers an dem Rahmen kann beispielsweise ein die Wärmetauscherflächen tragender Wärmetauscherrahmen an dem Rahmen des Photovoltaikmoduls befestigt sein. Es kann zum Beispiel eine mechanische Befestigung, wie eine Verschraubung, gewählt werden. Die Befestigung erfolgt dabei bevorzugt so, dass kein direkter Kontakt zwischen der mindestens einen Leitung und dem Rahmen besteht. Gegebenenfalls kann eine thermisch isolierende Befestigung vorgesehen werden. So kann eine Wiederabfuhr von zuvor aufgenommener Wärme des Wärmeträgerfluids an den Rahmen und damit auf das Photovoltaikmodul vermieden werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Gebäude, insbesondere Wohngebäude, an dem mindestens ein erfindungsgemäßes Photovoltaik-Thermie-Modul montiert ist. Das Gebäude kann zum Beispiel ein Einfamilienhaus oder ein Mehrfamilienhaus sein. Das Photovoltaik-Thermie-Modul kann zum Beispiel auf dem Dach oder an einer Fassade des Gebäudes montiert sein. An dem Gebäude kann auch eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Photovoltaik-Thermie-Module montiert sein.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann der Wärmetauscher mit einer Wärmepumpe des Gebäudes gekoppelt sein, wobei durch den Wärmetauscher bereitgestellte thermische Energie als eine Wärmequelle und/oder Wärmesenke der Wärmepumpe dient.
Die Erfindung kann aber ebenso in anderen Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen, zum Beispiel in Freiflächenanlagen bzw. -systemen, auf Gewerbedächern, in Industrieprozessen oder auch offshore. Auch bei solchen Anwendungen kann der Wärmetauscher mit einer Wärmepumpe gekoppelt sein, wobei durch den Wärmetauscher bereitgestellte thermische Energie als eine Wärmequelle und/oder Wärmesenke der Wärmepumpe dient.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch:

1 ein erfindungsgemäßes Photovoltaik-Thermie-Modul in einer Ansicht von der Rückseite,
2 eine vergrößerte Detailansicht des Photovoltaik-Thermie-Moduls gemäß dem Ausschnitt A in 1,
3 eine Schnittansicht des in 1 gezeigten Photovoltaik-Thermie-Moduls entlang der Linie B-B in 1, und
4 ein Gebäude mit mehreren erfindungsgemäßen Photovoltaik-Thermie-Modulen.

Soweit nichts anderes angegeben ist, bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände.
Das erfindungsgemäße Photovoltaik-Thermie-Modul weist ein Photovoltaikmodul 10 mit einer Mehrzahl von miteinander verknüpften Solarzellen auf, die zum Beispiel auf einer Folie angeordnet sein können. In 1 ist die Rückseite des Photovoltaikmoduls 10 zu erkennen. Die gegenüberliegende Vorderseite ist im montierten Zustand des Photovoltaik-Thermie-Moduls der Sonne zugewandt. So kann durch die Solarzellen solare Energie aus der auftretenden Sonnenstrahlung in an sich bekannter Weise in elektrische Energie umgewandelt werden und einer weiteren Nutzung zugeführt werden. Das Photovoltaikmodul 10 besitzt einen umlaufenden Rahmen 12, mit dem es beispielsweise an einem Gebäude, wie einem Einfamilienhaus oder Mehrfamilienhaus, zum Beispiel auf dem Dach oder an der Fassade des Gebäudes, montiert werden kann. Der Rahmen 12 kann zum Beispiel ein Aluminiumrahmen sein.
Das erfindungsgemäße Photovoltaik-Thermie-Modul weist weiterhin einen Wärmetauscher auf, der an der im montierten Zustand der Sonne abgewandten Rückseite des Photovoltaikmoduls 10 angeordnet ist. Der Wärmetauscher umfasst im vorliegenden Beispiel eine Leitung 14 mit einem ersten Leitungsanschluss 16, der mit einem ersten Verteilerrohr 18 verbunden ist und einem zweiten Leitungsanschluss 20, der mit einem zweiten Verteilerrohr 22 verbunden ist. Zwischen den Leitungsanschlüssen 16, 20, die an gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 12 angeordnet sind, besitzt die Leitung 14 einen mäanderförmigen Verlauf. Im Betrieb wird die Leitung 14 von einem gasförmigen oder flüssigen Wärmeträgerfluid durchströmt. Von dem Wärmeträgerfluid aufgenommene Wärme kann so einer weiteren Nutzung zugeführt werden, zum Beispiel als Wärmequelle einer Wärmepumpe des Gebäudes. Der Wärmetauscher besitzt darüber hinaus eine Vielzahl von quer, insbesondere senkrecht, zur Erstreckungsebene des Photovoltaikmoduls, die in 1 der Zeichenebene entspricht, angeordnete Wärmetauscherflächen 24. Die Wärmetauscherflächen 24 sind parallel zueinander angeordnet, wobei der Abstand zwischen benachbarten Wärmetauscherflächen 24, der in dem dargestellten Beispiel für sämtliche Wärmetauscherflächen 24 gleich ist, weniger als 10 mm, vorzugsweise etwa 6 mm, beträgt. Die Wärmetauscherflächen 24 erstrecken sich in 1 in die Zeichenebene hinein, so dass die Leitung 14 die Wärmetauscherflächen 24 entsprechend ihrem mäanderförmigen Verlauf mehrfach durchdringt. Dabei besteht an den Durchtritten ein direkter, üblicher Kontakt zwischen der Leitung 14 und den Wärmetauscherflächen 24 und damit ein direkter thermischer Übergang.
Zwischen den Wärmetauscherflächen 24 und dem Photovoltaikmodul 10 besteht ein Abstand von mindestens 1 mm, vorzugsweise etwa 3 mm, weiter vorzugsweise nicht mehr als 30 mm, so dass kein direkter Kontakt zwischen den Wärmetauscherflächen 24 und dem Photovoltaikmodul 10 besteht. Es ist vielmehr ein von allen Seiten für Umgebungsluft zugänglicher Freiraum zwischen den Wärmetauscherflächen 20 und dem Photovoltaikmodul 10 gebildet. Umgebungsluft kann durch die zwischen den Wärmetauscherflächen 24 gebildeten Freiräume das dahinterliegende Photovoltaikmodul 10 anströmen, wodurch Wärme von dem Photovoltaikmodul 10 aufgenommen und über die Umgebungsluft an die Wärmetauscherflächen 24 und die Leitung 14 bzw. das darin zirkulierende Wärmeträgerfluid abgegeben werden kann. Durch den verhältnismäßig geringen Abstand benachbarter Wärmetauscherflächen 24 ist eine hohe Dichte an Wärmetauscherflächen 24 möglich, so dass eine besonders effektive Wärmeaufnahme aus der zirkulierenden Umgebungsluft möglich ist und gleichzeitig eine besonders effektive Abgabe dieser Wärme an die Leitung 14 und damit an das darin zirkulierende Wärmeträgerfluid. Es ist somit eine besonders effiziente Kühlung des Photovoltaikmoduls 10 zur Maximierung des Wirkungsgrads möglich. Gleichzeitig wird durch die Vermeidung des direkten Kontakts zwischen den Wärmeträgerflächen 24 und dem Photovoltaikmodul 10 das Risiko einer Kondensierung bzw. Vereisung und thermischer Verspannungen minimiert.
Das Photovoltaikmodul 10 kann in einfacher Weise in industriellen Fertigungsverfahren hergestellt und über den Rahmen 12 in einfacher Weise zum Beispiel an einem Gebäude montiert werden. Damit werden erhebliche Kostenvorteile erreicht.
In der vergrößerten Darstellung der 2 ist ein die Wärmetauscherflächen 24 haltender Wärmetauscherrahmen 26 zu erkennen, der mit seinen Längsseiten an jeweils drei Befestigungspunkten an dem Rahmen 12 des Photovoltaikmoduls 10 befestigt ist, vorliegend über ein in 2 vergrößert zu erkennendes Befestigungselement 28 verbunden ist, zum Beispiel durch eine Schraubverbindung oder eine Nietverbindung. Außerdem weist der Wärmetauscherrahmen 26 im dargestellten Beispiel zwei Querstreben 30 und zwei Querkanten 32 auf, von denen eine in 2 vergrößert zu erkennen ist. Die Querstreben 30 des Wärmetauscherrahmens 26 besitzen jeweils Durchtrittsöffnungen 34, durch die die Verteilerrohre 18, 22 ohne direkten Kontakt mit dem Wärmetauscherrahmen 26 geführt sind. Hierzu weisen Durchtrittsöffnungen der Querstreben 30 einen größeren Querschnitt auf als die Verteilerrohre 18, 22. Beim Durchtritt durch Durchtrittsöffnungen 34 der Querkanten 32 können die Verteilerrohre 18, 20 mechanisch mit diesen verbunden sein. Außerdem weisen die Wärmetauscherflächen 24 Durchtrittsöffnungen 36 auf, durch die die Leitung 14 geführt ist, wie in 3 zu erkennen. Diese Durchtrittsöffnungen 36 können einen Querschnitt besitzen, der dem Querschnitt der Leitung 14 entspricht, so dass diese mit den Begrenzungen der Durchtrittsöffnungen 36 und damit mit den Wärmetauscherflächen 24 in wärmeleitendem Kontakt steht.
Die Querstreben 30 und/oder die Querkanten 32 können mit dem Wärmetauscherrahmen 26 verbunden sein, zum Beispiel durch Verschrauben oder Vernieten. Auf diese Weise sind die Wärmetauscherflächen 24 sicher und mit Abstand zu dem Photovoltaikmodul 10 an dem Rahmen 12 des Photovoltaikmoduls 10 befestigt. Gegebenenfalls können zur Sicherstellung des vorgegebenen Abstands zwischen den Wärmetauscherflächen 24 und dem Photovoltaikmodul 10 Abstandhalter aus einem möglichst gering wärmeleitenden Material, zum Beispiel Silikonabstandhalter angeordnet sein.
In 4 ist ein Gebäude 38, vorliegend ein Wohngebäude 38, dargestellt mit einem Dach 40, auf dem mehrere erfindungsgemäße Photovoltaik-Thermie-Module 42 so montiert sind, dass die Vorderseiten der Photovoltaik-Thermie-Module 42, und damit die Photovoltaikmodule 10, jeweils der Sonne zugewandt sind. Die Rückseiten mit den Wärmetauschern sind jeweils der Sonne abgewandt. Die Photovoltaik-Thermie-Module 42 können insbesondere ausgestaltet sein wie in den 1 bis 3 gezeigt. Über Leitungen, insbesondere die Verteilerrohre 18, 22, sind die Photovoltaik-Thermie-Module 42 mit einer Wärmepumpe 44 des Gebäudes 38 verbunden, so dass aufgenommene Wärme von dem durch die Photovoltaik-Thermie-Module 42 strömenden Wärmeträgerfluid abgeführt und als Wärmequelle der Wärmepumpe 44 des Gebäudes 38 genutzt werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Photovoltaikmodul
12: Rahmen
14: Leitung
16: Erster Leitungsanschluss
18: Erstes Verteilerrohr
20: Zweiter Leitungsanschluss
22: Zweites Verteilerrohr
24: Wärmetauscherflächen
26: Wärmetauscherrahmen
28: Befestigungselement
30: Querstreben
32: Querkanten
34: Durchtrittsöffnungen
36: Durchtrittsöffnungen
38: Gebäude
40: Dach
42: Photovoltaik-Thermie-Modul
44: Wärmepumpe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3497381 [0003]

Claims

Photovoltaik-Thermie-Modul, umfassend ein Photovoltaikmodul (10) und einen Wärmetauscher, der im montierten Zustand des Photovoltaik-Thermie-Moduls (42) auf der der Sonne abgewandten Rückseite des Photovoltaikmoduls (10) angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher mindestens eine im Betrieb von einem Wärmeträgerfluid durchströmte Leitung (14) und eine Vielzahl von mit der mindestens einen Leitung (14) und mit der Umgebungsluft in thermischem Austausch stehenden Wärmetauscherflächen (24) aufweist, wobei die mindestens eine Leitung (14) einen Abstand von dem Photovoltaikmodul (10) aufweist, und wobei die Umgebungsluft das Photovoltaikmodul (10) durch Freiräume zwischen den Wärmetauscherflächen (24) anströmen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherflächen (24) einen Abstand von dem Photovoltaikmodul (10) aufweisen, so dass kein direkter Kontakt zwischen den Wärmetauscherflächen (24) und dem Photovoltaikmodul (10) besteht.
Photovoltaik-Thermie-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherflächen (24) als quer zur Erstreckungsebene des Photovoltaikmoduls (10) angeordnete Wärmetauscherflächen (24) ausgebildet sind.
Photovoltaik-Thermie-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Leitung (14) zumindest einige der Wärmetauscherflächen (24) durchdringt.
Photovoltaik-Thermie-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Wärmetauscherflächen (24) ein Abstand von weniger als 10 mm, vorzugsweise weniger als 8 mm, weiter vorzugsweise von 6 mm oder weniger als 6 mm, besteht.
Photovoltaik-Thermie-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Wärmetauscherflächen (24) von dem Photovoltaikmodul (10) mindestens 1 mm, vorzugsweise mindestens 2 mm, weiter vorzugsweise mindestens 3 mm, beträgt.
Photovoltaik-Thermie-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wärmetauscherflächen (24) oder der mindestens einen Leitung (14) und dem Photovoltaikmodul (10) Abstandhalter aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 1 W/(m K) angeordnet sind.
Photovoltaik-Thermie-Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandhalter aus einem Silikonmaterial bestehen.
Photovoltaik-Thermie-Modul, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher an einem das Photovoltaikmodul (10) umgebenden Rahmen (12) befestigt ist.
Gebäude, insbesondere Wohngebäude, an dem mindestens ein Photovoltaik-Thermie-Modul (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche montiert ist.
Gebäude nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher mit einer Wärmepumpe (44) des Gebäudes (38) gekoppelt ist, wobei durch den Wärmetauscher bereitgestellte thermische Energie als eine Wärmequelle und/oder Wärmesenke der Wärmepumpe (44) dient.