-
Die Erfindung betrifft ein von einem Wärmeträger durchströmtes Trägermodul, insbesondere ein Trägermodul für Photovoltaikzellen sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines derartigen Trägermoduls.
-
Aus der
DE 298 10 238 U1 ist ein Trägermodul für Photovoltaikzellen bekannt, bei dem an der Unterseite der Photovoltaikzellen ein welliger Lamellenkörper aus Aluminium angeordnet ist, dessen Wellentäler Kanäle für den flüssigen Wärmeträger bilden, der zur Kühlung der Photovoltaikzellen in unmittelbaren Kontakt mit deren Unterseite gerät. In der
WO 2007/144113 A1 ist der Lamellenkörper aus Aluminium durch eine Temperiereinrichtung aus Kunststoff ersetzt, deren Flüssigkeits-Kanäle ebenfalls unmittelbar an die Unterseite der Photovoltaikzellen angrenzen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Trägermodul derart weiterzubilden, dass es eine erhöhte Tragfähigkeit aufweist und prozesssicher auch in großen Stückzahlen flüssigkeitsdicht herstellbar ist.
-
Die Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Trägermodul erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Trägermodul doppelwandig von einer metallenen Bodenwanne mit eingeformten Wärmeträgerkanälen und einer Deckplatte als Versteifungsblech gebildet wird, wobei die Deckplatte an zwischen den Wärmeträgerkanälen angeordneten erhabenen Zwischenbereichen und umlaufend in den Randbereichen der Bodenwanne materialschlüssig mit dieser verbunden ist. Die materialschlüssige Verbindung in den Zwischenbereichen und in den Randbereichen erfolgt bevorzugt durch Laserschweißen. Alternativ ist auch eine Verbindung durch Rollnahtschweißen, durch WIG-(Wolfram-Inertgas-) oder MAG-(Metall-Aktivgas)-Schweißverfahren möglich.
-
Das Trägermodul ist insbesondere als Träger für auf der Seite der Deckplatte (bzw. des Versteifungsblechs) angeordnete Photovoltaikzellen vorgesehen, kann jedoch auch, beispielsweise mit einer schwarzen Lackierung versehen, vorteilhaft ausschließlich zur Warmwasser-Erzeugung als reiner Solarwärmetauscher eingesetzt werden.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Zweckmäßigerweise ist die Bodenwanne aus einem Tiefziehblech tiefgezogen, wobei abwechselnd die erhabenen Randbereiche und die erhabenen Zwischenbereiche mit den dazwischen angeordneten vertieften Wärmeträgerkanälen unmittelbar mit geformt werden.
-
Vorzugsweise sind am oberen und am unteren Rand der Bodenwanne quer zu den Wärmeträgerkanälen verlaufende Sammel- und Verteilerkanäle vorgesehen, die in den seitlichen Randbereichen durch vorzugsweise eingelötete Anschlussstücke verschlossen werden. In die vorzugsweise als Blecheinleger ausgebildeten Anschlussstücke ist bevorzugt jeweils wenigstens eine Anschlussarmatur, beispielsweise in Form einer in den Blecheinleger eingeschweißten Mutter, integriert.
-
Eine besonders bevorzugte Gestaltung sieht vor, dass das erfindungsgemäße Trägermodul in einer Vorrichtung hergestellt wird, bei der das Versteifungsblech mit der darauf aufgelegten Bodenwanne gegen eine vorgewölbte, vorzugsweise von mehreren gekrümmten Aufspannleisten gebildete Auflage der Vorrichtung gespannt wird, wobei die Vorwölbung so ausgebildet ist, dass sie den beim anschließenden Schweißen unvermeidbaren Verzug exakt ausgleicht, so dass im Ergebnis ein im Wesentlichen planes doppelwandiges Trägermodul entsteht.
-
Alternativ zu einer Ausbildung aus Stahlblech ist auch eine Ausbildung der Bodenwanne, des Versteifungsblechs und des Blecheinlegers aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetall-Legierung, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung möglich, wobei die Verschweißung der Bauteile untereinander mittels Laserschweißen oder auch mittels WIG-(Wolfram-Inertgas-) oder MAG-(Metall-Aktivgas)-Schweißverfahren erfolgt.
-
Nachfolgend werden das Trägermodul und die Vorrichtung zu dessen Herstellung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 eine Draufsicht auf die Innenseite der Bodenwanne;
-
2 eine perspektivische Draufsicht auf das Trägermodul von der Außenseite der Bodenwanne;
-
3 in vergrößerter Darstellung gemäß Detail B aus 2 das Ende eines Sammel- und Verteilerkanals vor dem Einsetzen des Anschlussstücks;
-
4 in einer Seitenansicht in vergrößerter Darstellung das Ende eines Sammel- und Verteilerkanals mit dem darin eingesetzten Anschlussstück;
-
5 eine Draufsicht auf ein Anschlussstück;
-
6 einen Schnitt durch das Anschlussstück gemäß der Schnittlinie VI-VI in 5;
-
7 eine perspektivische teilweise Aufsicht auf einen Eckbereich der Innenseite der Bodenwanne;
-
8–11 die Abfolge bei der Herstellung der Schweißverbindungen zwischen Bodenwanne und Deckplatte;
-
12 eine Teilansicht eines leeren Werkzeugs zur Herstellung eines Trägermoduls;
-
13 eine weitere Teilansicht des Werkzeugs mit darin aufgenommenem Trägermodul; und
-
14 einen schematischen Teilschnitt durch ein Photovoltaikzellen-Paneel.
-
Das in den 1–11 dargestellte Trägermodul 10 wird im Wesentlichen aus einer als Tiefziehblechteil ausgebildeten Bodenwanne 12 und einer als Versteifungsblechplatte ausgebildeten, darauf befestigten Deckplatte 14 gebildet. Wenn in dieser Anmeldung von „Blech” gesprochen wird, ist damit nicht nur Stahlblech, sondern auch plattenförmiges Material aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium oder aus einer Leichtmetall-Legierung, insbesondere einer Aluminium-Legierung gemeint.
-
In die Bodenwanne 12 sind beim Tiefziehen mehrere parallel angeordnete, voneinander vorzugsweise gleichmäßig beabstandete Wärmeträgerkanäle 121 eingeformt, zwischen denen langgezogene erhabene Bereiche 124 eine Trennung bilden. Die Wärmeträgerkanäle 121 münden zu beiden Seiten in senkrecht dazu in zwei gegenüberliegenden Randbereichen 126 der Bodenwanne 12 verlaufende Sammel- und Verteilerkanäle 122 aus. Zusätzliche kurze erhabene Bereiche 125 sind an der Einmündung der Wärmeträgerkanäle 121 vor den Sammel- und Verteilerkanälen 122 auf einer parallelen Linie zu den Sammel- und Verteilerkanälen 122 an der Bodenwanne 12 ausgebildet. Seitlich nach außen an die Sammel- und Verteilerkanäle 122 anschließend sowie an die äußeren der Wärmeträgerkanäle 121 angrenzend sind erhabene Randbereiche 126 an der Bodenwanne 12 ausgebildet. Sämtliche erhabenen Bereiche 124, 125 und 126 dienen zur Herstellung einer stoffschlüssigen oder materialschlüssigen Verbindung zwischen der Bodenwanne 12 und der sie in den erhabenen Bereichen 124, 125 und 126 berührenden Deckplatte 14.
-
Die Endbereiche 123 der im Querschnitt in etwa Halbkreisförmigen Sammel- und Verteilerkanäle 122 sind erweitert, wie in den 1, 2 und 8 bis 11 erkennbar. Diese erweiterten Endbereiche 123 dienen der Aufnahme von Anschlussstücken 16. Diese Anschlussstücke 16 sind bevorzugt als Blecheinleger 161 ausgebildet, die im Detail in den 3 bis 6 dargestellt sind. Die als Blecheinleger 161 ausgebildeten Anschlussstücke 16 weisen eine vertikale Wand 162 mit einer Bohrung auf, in die eine ein Innengewinde 167 aufweisende Mutter 166 mittels einer Laser-Schweißnaht 169 eingeschweißt oder eingelötet ist.
-
Die vertikale Wand 162 des Blecheinlegers 161 ist an ihrem in 5 oberen Rand zu einer horizontalen Wand 164 nach innen umgefalzt. Der übrige bogenförmige Randbereich ist in gleicher Weise zu einem Falz 163 rechtwinklig nach innen gebogen (6). Die seitlichen Ränder der horizontalen Wand 164 treffen in den Endbereichen 165 mit den Enden des Falzes 163 zusammen, wobei die horizontale Wand 164 zu beiden Seiten einen geringen Überstand aufweist, um sich weitest möglich der komplementären Kontur des Endbereichs 123 anzupassen, da die Anschlussstücke 16 nach dem Fixieren mittels der Schweißnähte 24 (11) und nach dem Hartlöten die Endbereiche 123 der Sammel- und Verteilerkanäle 122 vollständig flüssigkeitsdicht abschließen müssen. Die Mutter 166 steht nach außen etwas über die vertikale Wand 162 vor und bildet dadurch einen Bund zur Anlage einer an einem in das Gewinde 167 einschraubbaren Fitting angeordneten Dichtung.
-
Zur Herstellung des Trägermoduls 10 wird die Deckplatte 14 mit ihrer späteren Oberseite nach unten in ein in den 12 und 13 dargestelltes Werkzeug 30 eingelegt, das mit mehreren voneinander beabstandeten, gekrümmten Aufspannleisten 301 eine dreidimensional gewölbte Auflage bildet. Die dreidimensionale Wölbung dient der Kompensation des schweißbedingten Verzugs bei der Verbindung der Deckplatte 14 mit der Bodenwanne 12.
-
Die Wölbung ist für ein Trägermodul 10 mit den Außenmaßen 1200 mm × 900 mm so ausgelegt, dass die Mitte der Auflage um etwa 20 mm tiefer liegt als deren Ecken und das die Mitte der größeren, 1200 mm langen Längsseiten um etwa 5 mm tiefer liegt als die Ecken.
-
Die Bodenwanne 12 und die Blecheinleger 161 bestehen dabei aus etwa 0,8 mm starkem blanken Tiefziehblech, während die Deckplatte 14 von einer etwa 1,5 mm starken blanken Blechplatte gebildet wird. Das Schweißen im Werkzeug 30 erfolgt dabei vom dünneren Material der Bodenwanne 12 zum dickeren Material der Deckplatte 14.
-
Die Bodenwanne 12 wird mit ihrer Oberseite nach unten auf die Deckplatte 14 aufgelegt, so dass sich ihre erhabenen Bereiche 124, 125 und der Randbereich 126 auf die Deckplatte 14 auflegen. Anschließend wird das Werkzeug 30 geschlossen, wobei mehrere parallel zueinander angeordnete, im inneren Bereich gleichmäßig voneinander beabstandete Spannleisten 303 die Bodenwanne 12 gegen die durch die Aufspannleisten 301 abgestützte Deckplatte 14 drücken. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt sieben Spannleisten 303 vorgesehen, die in den 8 bis 11 und 13 mit den Bezeichnungen L1–L7 nummeriert sind. Die Spannleisten 303 sind bevorzugt für eine Feinjustierung oder Nachjustierung der lokalen Anpressdrücke mit Druckbolzen 304 versehen, die durch in den Spannleisten 303 vorgesehene Gewinde zur Höheneinstellung verdrehbar sind und bei Bedarf mittels Kontermuttern in den eingestellten Positionen fixiert werden können.
-
Die Spannleisten 303 können bei einem einfachen Werkzeug 30 mittels Spannzangen 302 manuell in ihre Andrückposition bewegt werden. Bei einem weiter entwickelten Werkzeug für höhere Stückzahlen werden die Spannleisten 303 bevorzugt elektromotorisch, pneumatisch oder hydraulisch bewegt. In diesem Falle wird das Werkzeug 30 auch bevorzugt durch einen nicht dargestellten Handhabungsroboter mit den Bauteilen 12, 14 und 16 beladen bzw. mit dem fertigen Trägermodul 10 entladen.
-
Zwischen den Aufspannleisten 301 sind im Ausführungsbeispiel gemäß 12 insgesamt sechzehn pneumatische Saugvorrichtungen 305 angeordnet, die das Trägermodul 10 im letzten Fertigungsschritt nach Lösen der Spannleisten 303 in Position halten. In 13 gezeigte, bevorzugt magnetische Positioniervorrichtungen 305 dienen zur exakten Positionierung der Anschlussstücke 16 vor deren Einschweißen oder Einlöten in den Endbereichen 123 der Sammel- und Verteilerkanäle 122.
-
Zur Herstellung eines Trägermoduls 10 wird zunächst die Deckplatte 14, wie vorstehend beschrieben, gegenüber ihrer späteren Gebrauchslage umgedreht in das Werkzeug 30 eingelegt. Seitliche Anschläge sorgen dabei für eine definierte Position der Deckplatte 14. Anschließend wird die schon vorab tiefgezogene Bodenwanne 12 mit ihrer Unterseite nach oben auf die Deckplatte 14 aufgelegt. Zum Schließen des Werkzeugs 30 werden die im gezeigten Beispiel sieben Spannleisten 303 nach unten gegen den Boden der Bodenwanne 12 gedrückt. Dabei nehmen Deckplatte 14 und Bodenwanne 12 vorübergehend die von den Aufspannleisten 301 vorgegebene dreidimensional gewölbte Kontur an.
-
In den 8 bis 11 ist eine besonders vorteilhafte Reihenfolge der Verfahrensschritte beim Aufbringen der Schweißnähte 18, 20, 22, 24 und beim Schrittweisen entfernen der Spannleisten 303 dargestellt. Diese wird nachfolgend beschrieben.
-
In 8 sind die Deckplatte 14 und die Bodenwanne 12 in das Werkzeug 30 eingelegt und die Anschlussstücke 16 sind mittels der Positioniervorrichtungen 305 in den Endbereichen 123 der Sammel- und Verteilerkanäle 122 positioniert.
-
Im ersten Verfahrensschritt S01 werden nun zunächst in 8 von links unten beginnend mittels der in 13 dargestellten, vorzugsweise von einem Roboter geführten Laser-Schweißanlage 40 zwei kurze Schweißnähte 24 zur Fixierung des dort befindlichen, von der Positioniereinrichtung 305 gehaltenen Anschlussstücks 16 von außen auf den Endbereich 123 der Bodenwanne 12 aufgebracht. Anschließend werden von unten nach oben die linken erhabenen Bereiche 125 der Bodenwanne mit kurzen Schweißnähten 24 versehen.
-
Links oben angekommen werden im Verfahrensschritt S02 zur Fixierung des linken oberen Anschlussstücks 16 die zwei kurzen Schweißnähte 24 auf den Endbereich 123 der Bodenwanne 12 aufgebracht.
-
Die Laser-Schweißanlage 40 wird oben nach rechts bewegt und schweißt im Verfahrensschritt S03 die zwei kurzen Schweißnähte 24 zur Fixierung des rechten oberen Anschlussstücks 16. Anschließend werden von oben nach unten die die rechten erhabenen Bereiche 125 der Bodenwanne 12 mit kurzen Schweißnähten 24 versehen.
-
Rechts unten angekommen werden im Verfahrensschritt S04 zur Fixierung des rechten unteren Anschlussstücks 16 die zwei kurzen Schweißnähte 24 auf den Endbereich 123 der Bodenwanne 12 aufgebracht.
-
Die Laser-Schweißanlage 40 wird unten nach links bewegt und schweißt im Verfahrensschritt S05 nacheinander von unten nach oben die erhabenen Bereiche 124 jeweils zwischen den Spannleisten L2 und L3 mit den Schweißnaht-Abschnitten der Schweißnähte 20.
-
Für den Verfahrensschritt S06 wird die Laser-Schweißanlage 40 oben nach rechts bewegt und schweißt von oben nach unten die Schweißnahtabschnitte 20 in den Zwischenräumen zwischen den Spannleisten L3 und L4.
-
Für den Verfahrensschritt S07 wird die Laser-Schweißanlage 40 unten nach rechts bewegt und schweißt von unten nach oben die Schweißnahtabschnitte 20 in den Zwischenräumen zwischen den Spannleisten L4 und L5.
-
Für den Verfahrensschritt S08 wird die Laser-Schweißanlage 40 oben nach rechts bewegt und schweißt von oben nach unten die Schweißnahtabschnitte 20 in den Zwischenräumen zwischen den Spannleisten L5 und L6.
-
Anschließend werden beim Übergang von der 8 zur 9 die Spannleisten L2, L3, L5 und L6 angehoben oder entfernt. Im Verfahrensschritt S09 werden von oben nach unten die Schweißnähte 20 in dem Bereich ergänzt, in dem sich vorher die Spannleiste L5 befand. Unten angekommen wird die Laser-Schweißanlage 40 unten nach links bewegt und schweißt von unten nach oben die Schweißnahtabschnitte 20 in dem Bereich, der vorher durch die Spannleiste L3 beaufschlagt war.
-
Anschließend werden in den Verfahrensschritten S11 und S12 die durchgehenden dichten Längsnähte 18 an den Außenseiten der Sammel- und Verteilerkanäle 122 auf die erhabenen Randbereiche 126 aufgebracht.
-
Eine generelle Anmerkung zum Begriff „erhabene Bereiche” im Zusammenhang mit den durch die Bezugszahlen 124, 125 und 126 bezeichneten Bereichen der Bodenwanne 12: Der Begriff „erhabene Bereiche” bezieht sich auf die Gebrauchslage (4 oder 7) des Trägermoduls 10, bei der die Deckplatte 14 oben angeordnet ist. Wie 13 zeigt, sind die erhabenen Bereiche durch die umgekehrte Lage im Werkzeug 30 dort die tiefer liegenden Bereiche.
-
Anschließend wird beim Übergang von der 9 zur 10 die mittlere Spannleiste L4 angehoben oder entfernt. Im Verfahrensschritt S11 und S12 werden die durchgehenden dichten Schweißnähte 18 an der oberen und der unteren Längsseite der Bodenwanne 12 erzeugt. Anschließend werden im Verfahrensschritt S13 von unten nach oben die Schweißnähte 20 in dem Bereich ergänzt, in dem sich vorher die Spannleiste L4 befand.
-
Schließlich werden nach Aktivierung der Saugvorrichtungen 306 auch die letzen beiden verbliebenen seitlichen Spannleisten L1 und L7 angehoben oder entfernt. Dadurch können nun abschließend die Anschlussstücke 16 bei Bedarf noch im selben Werkzeug 30 hartgelötet oder dicht geschweißt werden. Der Lötvorgang für die Anschlussstücke 16 kann jedoch zur Verkürzung des Fertigungstakts auch außerhalb der Schweißvorrichtung 30 erfolgen. In 11 ist das komplett fertige Trägermodul 10 mit allen Schweißnähten 18, 20, 22 und 24 dargestellt.
-
Mittels des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung der erfindungsgemäßen Schweiß-Vorrichtung 30 wird die dreidimensionale Vorwölbung durch den schweißbedingten Verzug im Werkstück zumindest nahezu vollständig kompensiert. Das fertige Trägermodul 10 ist dadurch im Wesentlichen eben.
-
Auch wenn vorstehend im Zusammenhang mit dem Bauteil 40 nur von einer Laser-Schweißanlage 40 gesprochen wurde, so kann diese ebenso vollständig oder zumindest für einzelne Verfahrensschritte durch eine Rollnaht-Schweißanlage 40, eine WIG-Schweißanlage 40 oder eine MAG-Schweißanlage 40 ersetzt oder für einzelne Verfahrensschritte durch eine solche ergänzt werden.
-
Das Trägermodul 10 wird anschließend einer KTL-Lackierung unterzogen. Die KTL-Lackierung dient als sicherer Haftgrund für eine anschließend erfolgende PU-Umschäumung 56 zur Befestigung der Photovoltaikzellen 52 und der diese nach außen abdeckenden Glasscheibe 54. Bei Verwendung eines Edelstahlblechs („Nirosta”) zur Herstellung des Trägermoduls 10 wird das Trägermodul 10 vor Aufbringen der PU-Umschäumung mit einem Primer als Haftgrund behandelt.
-
Das Trägermodul 10 wird nach Fertigstellung bevorzugt als Träger für in 14 dargestellte Photovoltaikzellen 52 eingesetzt, die auf der Oberseite der Versteifungsplatte bzw. Deckplatte 14 angeordnet, mittels einer transparenten, witterungsbeständigen Scheibe 54 nach oben abgedeckt und durch die PU-Umschäumung 56 dauerhaft mit dem Trägermodul 10 verbunden. Durch die Deckplatte 14 erhalten die Photovoltaikzellen 52 im Gegensatz zum eingangs gewürdigten Stand der Technik eine vollflächige Abstützung, wodurch ein mit dem erfindungsgemäßen Trägermodul 10 ausgestattetes Photovoltaikzellen-Paneel 50 wesentlich widerstandfähiger gegen Schneelasten und Hagelschlag wird.
-
Die Wärmeträgerkanäle 121 werden über die Sammel- und Verteilerkanäle 212 gleichmäßig mit einem flüssigen Wärmeträger (in der Regel Wasser mit einem Frostschutz- und/oder Korrosionschutzmittel) versorgt. Mehrere benachbarte Photovoltaikzellen-Paneele 50 können in einfacher Weise über die Anschlussstücke 16 mittels geeigneter Verbindungsstücke flüssigkeitsdicht miteinander verbunden werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Trägermodul
- 12
- Bodenwanne
- 121
- Wärmeträgerkanal
- 122
- Sammel- und Verteilerkanal
- 123
- Endbereich (von 122)
- 124
- (erhabener) Bereich
- 125
- (erhabener) Bereich
- 126
- Randbereich (von 12)
- 14
- Versteifungsplatte (Deckplatte)
- 16
- Anschlussstück
- 161
- Blecheinleger
- 162
- (senkrechte) Wand (von 161)
- 163
- Falz (an 161)
- 164
- (horizontale Wand) (von 161)
- 165
- Endbereich
- 166
- Mutter
- 167
- Gewinde
- 168
- Bund (an 166)
- 169
- Schweißnaht
- 18
- Schweißnaht (auf 126)
- 20
- Schweißnaht (auf 124)
- 22
- Schweißnaht (auf 125)
- 24
- Schweißnaht (auf 123)
- 30
- Schweißvorrichtung (Werkzeug)
- 301
- Aufspannleisten (gewölbte Auflage; an 30)
- 302
- Spannzange
- 303
- Spannleiste
- 304
- Druckbolzen
- 305
- Positioniervorrichtung (für 16)
- 306
- Saugvorrichtung
- 40
- Laser-Schweißanlage
- 50
- Photovoltaikzellen-Paneel
- 52
- Photovoltaikzellen
- 54
- Abdeckscheibe
- 56
- PU-Umschäumung
- L1–L7
- Spannleisten
- S01–S13
- Verfahrensschritte
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 29810238 U1 [0002]
- WO 2007/144113 A1 [0002]
