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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Solarmodul mit einer rahmenförmigen Tragestruktur, mit einer in der Tragestruktur eingefassten, aus strahlungstransparenter Schutzscheibe und dotiertem Halbleitermaterial bestehenden Photovoltaikschicht mit Trägerschicht, einer die Photovoltaikschicht hinterlegenden Kühlstruktur, die mit einem Wärmeisolationsmaterial, das die Kühlstruktur dämmt, abgedeckt ist, wobei die Kühlstruktur im Wesentlichen aus Kühlrohren aufgebaut ist, und mit Elementen, die die Anordnung aus Kühlstruktur und Wärmeisolationsmaterial gegen die Photovoltaikschicht drücken.
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Solaranlagen sind inzwischen ein fester Bestandteil der Energieversorgung. Sie haben sich insbesondere im Bereich der Dächer von privaten Häusern, aber auch im Einsatz auf großflächigen Hallendächern, durchgesetzt, nicht zuletzt auch aufgrund der staatlichen Förderungen.
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Die für solche Solaranlagen verwendeten Solarmodule haben üblicherweise eine rechteckige Form mit Abmessungen von etwa 1 m × 1,65 m. Entsprechend der zur Verfügung stehenden Dachfläche wird diese mit einer Vielzahl dieser Solarmodule versehen.
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Neben reinen Solarmodulen, die mit einer Photovoltaikschicht belegt sind, werden zunehmend solche eingesetzt, die eine Kühlstruktur aufweisen, um die durch die Photovoltaikschicht erzeugte Wärme abzuführen, um dadurch den Wirkungsgrad der Photovoltaikschicht zu erhöhen. Gleichzeitig kann die abgeführte Wärme genutzt werden.
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Eine Forderung an solche Solarmodule ist diejenige, dass sie ein geringes Gewicht aufweisen, um die Dachflächenbelastung nicht übermäßig zu erhöhen. Darüber hinaus müssen sie einen einfachen Aufbau aufweisen, um die Herstellungskosten der Module gering zu halten. Weiterhin ist anzustreben, eine gute Wärmeabfuhr zu erzielen, da sich eine hohe Wärmeabfuhr von der Photovoltaikschicht unmittelbar positiv auf den Wirkungsgrad der Photovoltaikschicht auswirkt.
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Beispiele von Solarmodulen sind aus der
DE 10 2008 027 342 A1 oder der
US 4,392,008 bekannt. Die
DE 10 2008 027 342 A1 zeigt in einer Querschnittsdarstellung ein Solarmodul mit quer und längs verlaufenden Rohren zur Kühlung von Solarzellen. Die Rohre sind in einen Polyurethankörper eingebettet, um die Rohre, aber auch die Solarzellen, zu schützen. Auf der Seite der Solarzellen ist das Modul mit einer Deckschicht aus Glas oder Kunststoff geschützt. Auf der Rückseite ist die Anordnung durch eine Platte abgedeckt. Dieser geschichtete Aufbau ist in einem Rahmen aus U-förmigen Profilen gehalten.
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Die
US 4,392,008 beschreibt einen Solarkollektor mit einem im Wesentlichen rechtwinkligen relativ flachen Gehäuse. Das Gehäuse ist mit einer transparenten Glasplatte abgedeckt, hinter der sich auf einem Plattenelement angeordnete Photovoltaikzellen befinden. Das Plattenelement ist auf seiner Unterseite über Stege mit Rohren verbunden, durch die ein relativ kühles Kühlmedium geführt wird. Die Stege sollen einen hohen Wärmegradienten zwischen den Photovoltaikzellen und den Rohren mit dem Kühlmedium verhindern. Die Rohre sind offensichtlich in einem Wärmeisolationsmaterial aus Hartschaum eingebettet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Solarmodul der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, dass auch bei starker Sonneneinstrahlung ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Solarmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Solarmodul zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen Wärmeisolationsmaterial und Kühlstruktur mindestens eine elastisch verformbare Ausgleichsmatte angeordnet ist, die sich unter dem über das Wärmeisolationsmaterial ausgeübten Druck zumindest teilweise um die Kühlrohre der Kühlstruktur legt. Durch diese verformbare Ausgleichsmatte wird erreicht, dass die Kühlrohre der Kühlstruktur durch die Ausgleichsmatte allseitig, aus Richtung des Wärmeisolationsmaterials gesehen, das gegen die Ausgleichsmatte drückt, mit Druck beaufschlagt werden, so dass diese Kühlrohre in jedem Bereich an die Photovoltaikschicht bzw. die Trägerschicht der Photovoltaikschicht angedrückt werden. Hierdurch ist ein Kontakt über die gesamte Länge der Kühlrohre mit der Photovoltaikschicht gegeben, um insbesondere durch Wärmeleitung die in der Photovoltaikschicht und deren Trägerschicht vorhandene Wärme über die Kühlrohre und das darin strömende Kühlmedium abzuführen. Auch dann, wenn über das Wärmeisolationsmaterial, üblicherweise eine Hartschaumplatte, kein gleichmäßiger Druck über die Fläche verteilt ausgeübt wird, wird diese ungleiche Druckverteilung durch die elastisch verformbare Ausgleichsmatte ausgeglichen. Die Ausgleichsmatte verformt sich in Bereichen eines höheren Drucks stärker und in Bereichen eines geringeren Drucks weniger, jedoch so, dass die Kühlrohre der Kühlstruktur an die Photovoltaikschicht angedrückt werden.
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Die Ausgleichsmatte wird vorzugsweise aus einem Schaumstoffmaterial gebildet. Es ist auch vorgesehen, die Ausgleichsmatte aus einem Vlies zu bilden. in jedem Fall muss das Schaumstoffmaterial und/oder das Vlies so elastisch verformbar sein, dass es sich um die Kühlrohre der Kühlstruktur herum legen kann, um diese an die Photovoltaikschicht anzudrücken.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird zusätzlich zu der Ausgleichsmatte zwischen Kühlstruktur und Photovoltaikschicht bzw. deren Trägerschicht eine erste Metallfolie angeordnet. Mit dieser Metallfolie wird durch Wärmeleitung die von der Photovoltaikschicht abgegebene Wärme auf die Kühlrohre und damit die Kühlflüssigkeit übertragen. Der Wärmefluss ist aufgrund der guten Wärmeleitung der Metallfolie optimiert. Um den Wärmefluss noch weiter zu verbessern, kann zwischen Ausgleichsmatte und Kühlstruktur eine weitere Metallfolie angeordnet werden; diese weitere Metallfolie sollte über zumindest einen Teilbereich des Umfangs der Kühlrohre anliegen, so dass die Kühlrohre auch auf der der Photovoltaikschicht gegenüberliegenden Seite abgedeckt sind, um dadurch die Wärme von allen Seiten in die Kühlrohre einzubringen und abzuführen. Diese weitere Metallfolie steht vorzugsweise auch im Bereich der Zwischenräume zwischen den Kühlrohren mit der der Photovoltaikschicht zugeordneten ersten Metallfolie in Kontakt.
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Als Metallfolie eignet sich insbesondere eine Aluminiumfolie, die in den geeigneten Stärken von einigen Mikrometern erhältlich ist.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. In der Zeichnung zeigt
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1 einen Teilquerschnitt durch ein erfindungsgemäßes Solarmodul im Bereich einer Ecke,
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2 eine perspektivische Ansicht auf die Oberseite eines erfindungsgemäßen Solarmoduls, teilweise aufgebrochen und in Schnittdarstellung, und
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3 eine perspektivische Ansicht auf die Rückseite eines Solarmoduls, beispielsweise dasjenige, das in 1 und 2 dargestellt ist.
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Das erfindungsgemäße Solarmodul, das in seinem prinzipiellen Aufbau in 2 in einer Draufsicht auf die Oberseite, in 3 in einer Ansicht auf die Rückseite und in 1 in einem Teilquerschnitt gezeigt ist, ist allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Das Solarmodul besitzt in der Draufsicht eine rechteckige Form, die durch eine Rahmenstruktur 2 vorgegeben ist. Die Rahmenstruktur 2 ist aus vier rechtwinklig zueinander verlaufenden Rahmenteilen zusammengesetzt, wobei die beiden langen Rahmenteile mit dem Bezugszeichen 3 und die beiden kurzen Rahmenteile mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet sind.
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Wie der Querschnitt der 1 zeigt, besitzen die Rahmenteile 3 und 4, die als Profile ausgebildet sind, an ihrem oberen Ende eine Nut 5, in die eine Photovoltaikschicht 6 eingelegt ist. Die Photovoltaikschicht 6 ist auf der Außenseite durch eine strahlungstransparente Schutzscheibe 7 abgedeckt.
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An der Unterseite der Photovoltaikschicht 6 bzw. deren Trägerschicht liegt eine Kühlstruktur 8, die eine Vielzahl von dünnen Kühlrohren 9 aufweist, an. Die Kühlrohre 9 werden von einem Kühlmedium durchströmt, das über die in 3 an der Unterseite des Solarmoduls 1 gezeigten Anschlüsse 10 zu- und abgeführt wird.
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Die Kühlstruktur 8 ist auf der Unterseite, das bedeutet auf der der Photovoltaikschicht 6 gegenüberliegenden Seite, durch mindestens eine elastisch verformbare Ausgleichsmatte 11 abgedeckt. Der unterhalb der Ausgleichsmatte 11 verbleibende Raum 12 der Rahmenstruktur 2 ist durch ein Wärmeisolationsmaterial 13, bevorzugt in Form einer Platte aus einem Hartschaum, ausgefüllt.
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Das Wärmeisolationsmaterial 13 ist in der Rahmenstruktur 2 durch Halteelemente 14 in Form von Federstahldrähten gehalten, deren Anordnung an der Rahmenstruktur 2 anhand der 3 ersichtlich ist. In der in 3 gezeigten Ausführungsform sind zwei Halteelemente 14 vorgesehen, die sich jeweils von dem langen Rahmenteil 4 aus zur Mitte des Wärmeisolationsmaterials 13 erstrecken und mit einem mittleren trapezförmig gebogenen Mittenbereich 15 gegen die Mitte des Wärmeisolationsmaterials 13 drücken.
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Beidseitig des Mittenbereichs 15 schließt sich jeweils ein Basisabschnitt 16 an, die sich in das Profil des langen Rahmenteils 3 einlegen. An den Enden dieser Basisabschnitte 16 befindet sich jeweils ein um 90° abgewinkelter Endabschnitt 17, der sich jeweils in das Profil des angrenzenden kurzen Rahmenteils 4 eingelegt und damit gehalten ist. Damit der Mitlenbereich 15 gegen das Wärmeisolationsmaterial 13 drückt, sind die Endabschnitte 17 des Federstahldrahts des Halteelements 14 so gegenüber der durch den trapezförmigen Mittenbereich 15 aufgespannten Ebene gedreht, dass sie beim Befestigen des Halteelements 14 an der Rahmenstruktur 2 dann, wenn der Mittenbereich 15 des Halteelements 14 bereits an dem Wärmeisolationsmaterial 13 anliegt, gegen die Federspannung des Federstahldrahts zu dem Rahmenteil 4 hin gedrückt werden müssen, um sie in das Profil einzulegen. Mit diesem Befestigungsvorgang wird der Druck, der durch den Mittenbereich 15 auf das Wärmeisolationsmaterial 13 ausgeübt wird, entsprechend erhöht.
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Falls die Andruckkraft, die über die Halteelemente 14 auf das Wärmeisolationsmaterial 13 ausgeübt wird, nicht ausreichend ist oder verändert werden muss, können mehrere trapezförmige Abschnitte entlang eines Halteelements 14 vorgesehen werden, die darüber hinaus so ausgebildet werden können, dass sie sich noch weiter zur Mitte der Rahmenstruktur 2 erstrecken. Auch kann der Mittenbereich 15 in einer anderen Form als die dargestellte trapezförmige Form gebogen werden.
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Anhand der 1 und 2 ist zu erkennen, dass zwischen dem Wärmeisolationsmaterial 13 und dem Halteelement 14 eine dünne Schutzleiste 18 im Bereich des Profils der Rahmenteile 3, 4 eingesetzt ist, beispielsweise eine Leiste aus Kunststoff oder Aluminium, um den Druck, der insbesondere durch die Endabschnitte 17 der Halteelemente 14 ausgeübt wird, flächig auf das Wärmeisolationsmaterial 13 zu verteilen und um zu verhindern, dass sich das Stabprofil des Halteelements 14 in das Wärmeisolationsmaterial 13 eindrückt.
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Ein wesentliches Merkmale des Solarmoduls, das in den Figuren dargestellt ist und wie insbesondere in 1 dargestellt ist, ist darin zu sehen, dass zwischen Kühlstruktur 8 und Photovoltaikschicht 6 eine erste Metallfolie 19 eingelegt ist. Diese Metallfolie 19 dient dazu, von der Photovoltaikschicht 6 Wärme durch Wärmeleitung zu den Kühlrohren 9 hin abzuführen, insbesondere diejenige Wärme, die im Bereich zwischen den Kühlrohren 9 entsteht. Dieser Effekt wird durch eine zweite Metallfolie 20, die die Kühlrohre 9 der Kühlstruktur 8 auf der gegenüberliegenden Seite abdeckt, erhöht. Diese zweite Metallfolie 20 umgibt die Kühlrohre 9 und liegt vorzugsweise in den Zwischenräumen zwischen den Kühlrohren 9 an der ersten Metallfolie 19 flächig an.
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Um die zweite Metallfolie 20 an die Kühlrohre 9 und in den Zwischenräumen an die erste Metallfolie 19, ebenso wie die Kühlrohre 9 an die erste Metallfolie 19, anzudrücken, ist zwischen dem Wärmeisolationsmaterial 13 und der zweiten Metallfolie 20 die Ausgleichsmatte 11 aus einem nachgiebigem Material, beispielsweise eine Filzmatte, eingelegt. Diese Matte 11 wird durch das Wärmeisolationsmaterial 13, das im Wesentlichen formstabil ist, flächig gegen die Kühlstruktur 8 gedrückt. Aufgrund dieser Anordnung der beiden Metallfolien 19 und 20 sowie der Ausgleichsmatte 11 wird der Wärmeübergang zwischen Photovoltaikschicht 6 und Kühlstruktur 8 und dadurch die Wärmeabfuhr wesentlich verbessert.
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Als Metallfolien 19, 20 werden bevorzugt dünne Aluminiumfolien eingesetzt. Die Dikke dieser Folien liegt vorzugsweise im Bereich von 25 Mikrometern und 250 Mikrometern, wobei die erste Metallfolie 19 aus einem dickeren Material als die zweite Metallfolie 20 sein kann, da die erste Metallfolie 19 flächig an der Photovoltaikschicht 6 anliegt, während sich die zweite Metallfolie 20 um die Kühlrohre 9 der Kühlstruktur 8 herum legen muss.
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Die Dicke der mindestens einen Ausgleichsmatte 11 sollte größer als der Durchmesser der Kühlrohre 9 sein. Die Dicke der Ausgleichsmatte 11 ist wesentlich von der Elastizität abhängig und deren Dicke kann auch das Zweifache des Durchmessers der Kühlrohre 9 betragen. Wenn mehr als eine Ausgleichsmatte 11 eingesetzt werden, kann die Elastizität abgestuft eingestellt werden, indem die Ausgleichsmatte 11, die sich näher zu der Kühlstruktur 8 befindet, stärker elastisch verformbar ist, die sich näher zu dem Wärmeisolationsmaterial 13 befindet. Zum Beispiel kann die eine Ausgleichsmatte 11 dann aus einem geeigneten Vlies bestehen und eine andere Ausgleichsmatte 11 kann aus einem geeigneten Schaumstoffmaterial bestehen.
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Der Durchmesser des Federstahldrahts, der für die Halteelemente 14 eingesetzt wird, sollte im Bereich von 3 bis 6 mm liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008027342 A1 [0006, 0006]
- US 4392008 [0006, 0007]
