DE202012012684U1

DE202012012684U1 - Wärmeübertragungsanordnung

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Publication number: DE202012012684U1
Application number: DE202012012684U
Authority: DE
Original assignee: Stellaris Energy Solutions & Co KG GmbH
Current assignee: Stellaris Energy Solutions & Co KG GmbH
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2013-08-13
Anticipated expiration: 2022-02-15
Also published as: DE102012101169A1

Abstract

Wärmeübertragungsanordnung (1) für ein Photovoltaikmodul (2), umfassend eine Wärmeübertragungsvorrichtung (4) und Klemmelemente (5) zur Befestigung der Wärmeübertragungsvorrichtung (4) an dem Photovoltaikmodul (2); wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung (4) aufweist: a) einen Rahmen (11) mit einem Rand (12); b) ein Trägerelement (14); c) mindestens eine auf dem Trägerelement (14) angebrachte Rohreinrichtung (16); und d) ein die mindestens eine Rohreinrichtung (16) kontaktierendes Wärmeübertragungsmittel (25), welches auf dem Trägerelement (14) aufgebracht ist und die mindestens eine Rohreinrichtung (16) kontaktiert und im Wesentlichen vollständig umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass e) das Wärmeübertragungsmittel (25) eine Wärmeübertragungsschicht mit einer Oberfläche, welche als eine Kontaktseite (9) der Wärmeübertragungsvorrichtung (4) für einen Wärmeübertragungskontakt mit dem zugeordneten Photovoltaikmodul (2) ausgebildet ist, bildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsanordnung für ein Photovoltaikmodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Photovoltaikmodulanordnung.
In der Praxis bekannt und angewendet werden so genannte Kombi- oder Hybridkollektoren, die Strom und Warmwasser aus Sonnenenergie gleichzeitig erzeugen. Direkt unter einer Glasoberfläche befinden sich Solarzellen wie bei einem herkömmlichen Photovoltaikmodul, die aus dem einfallenden Sonnenlicht Gleichstrom erzeugen. Dieser Gleichstrom wird mittels eines Wechselrichters in einphasigen oder mehrphasigen Wechselstrom mit der Netzfrequenz, z.B. 50 Hz, des vorhandenen Energieversorgungsnetzes umgewandelt. Unter den Solarzellen befinden sich – meist im gleichen Modulgehäuse – die solarthermischen Elemente, welche die einfallende Wärmestrahlung aufnehmen, z.B. mittels eines Absorbers, entweder in Form eines speziell bedampften Kupferblechs oder einer schwarzen Metallfolie. Die so gewonnene Wärme wird anschließend durch wasserführende Elemente weitergeleitet und in einen Warmwasser- und Heizungskreislauf eingespeist. Bei den am Markt bekannten Systemen handelt es sich meistens um integrierte Gesamtmodule, die Photovoltaik und Solarthermie in einem Modul vereinen und miteinander untrennbar verbunden sind. Als nachteilig wird dabei empfunden, dass diese Systeme komplex, schwer, störanfällig und teuer sind. Sie können ineffektiv arbeiten, da die Solarthermie einerseits sehr hohe Temperaturen fordert und die Photovoltaik dagegen möglichst geringe Temperaturen zur Stromerzeugung benötigt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Wärmeübertragungsanordnung für ein Photovoltaikmodul zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine verbesserte Photovoltaikmodulanordnung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch eine Wärmeübertragungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Aufgabe wird auch durch eine Photovoltaikmodulanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Demgemäß umfasst eine Wärmeübertragungsanordnung für ein Photovoltaikmodul eine Wärmeübertragungsvorrichtung und Klemmelemente zur Befestigung der Wärmeübertragungsvorrichtung an dem Photovoltaikmodul. Die Wärmeübertragungsvorrichtung weist Folgendes auf: einen Rahmen mit einem Rand; ein Trägerelement; mindestens eine auf dem Trägerelement angebrachte Rohreinrichtung; und ein die mindestens eine Rohreinrichtung kontaktierendes Wärmeübertragungsmittel, welches auf dem Trägerelement aufgebracht ist und die mindestens eine Rohreinrichtung kontaktiert und im Wesentlichen vollständig umschließt. Das Wärmeübertragungsmittel bildet eine Wärmeübertragungsschicht mit einer Oberfläche, welche als eine Kontaktseite der Wärmeübertragungsvorrichtung für einen Wärmeübertragungskontakt mit dem zugeordneten Photovoltaikmodul ausgebildet ist.
Auf diese Weise ergibt sich ein leichtes, einfach gebautes, hochleistungsfähiges und dabei nachrüstbares Aufsteck- bzw. Anbaumodul als Wärmeableitvorrichtung und auch als Erwärmungsvorrichtung für herkömmlich, weltweit verwendete Photovoltaikmodule.
Die Wärmeübertragungsanordnung ist so gestaltet, dass sie ohne großen Aufwand bei gängigen Photovoltaikmodulen jederzeit nachgerüstet werden kann. Dies kann durch einfaches Befestigen mittels der Klemmelemente erfolgen. Durch diese einfache Montageform können selbst bereits auf dem Dach installierte Photovoltaikmodule jederzeit ohne großen Aufwand nachgerüstet werden.
Dabei ist es nicht erforderlich, das einzelne Photovoltaikmodul vom Dach zu nehmen.
In einer Ausführung ist das Wärmeübertragungsmittel aus einem wärmeleitenden Material ausgebildet ist. Dabei ist es bevorzugt, dass das Wärmeübertragungsmittel aus einem expandierten Graphitmaterial ausgebildet ist. So ergibt sich eine hohe Wärmeübertragung, insbesondere zur Kühlung des Photovoltaikmoduls. Die Rohreinrichtung wird in dieses wärmeleitfähige Material durch Aufpressen des wärmeleitfähigen Materials eingeschlossen. Dadurch kann eine schnelle und effiziente Wärmeübertragung gewährleistet werden.
Je wärmer ein Photovoltaikmodul wird, je höher ist ein Verlust an Leistung. Bei 25°C Zellentemperatur und einer Einstrahlung von 1 kW/m² leistet ein Photovoltaikmodul ca. 190 W. Der Verlust durch steigende Erwärmung kann zwischen 0,35 %/°C und 0,5 %/°C Aufheizung liegen. Daraus ergeben sich bei 60°C heißen Modulen nur noch 150 W oder nur noch 135 W bei 80°C heißen Modulen.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Rohreinrichtung mittels Halteelementen auf dem Trägerelement angebracht ist. Wenn die Halteelemente mit der mindestens einen Rohreinrichtung korrespondiere Halteöffnungen mit Haltenasen aufweisen, ist eine klipsartige Montage einfach und schnell möglich.
In einer noch weiteren Ausführung weisen die Halteelemente Anker auf. Damit ist eine schnelle und einfache Montage der Halteelemente auf dem Trägerelement möglich. Die Anker werden vorzugsweise in das Trägerelement eingesteckt und über Widerhaken fixiert.
Alternativ ist es in einer weiteren Ausführung möglich, dass die Anker an Stiften angebracht sind, welche sich durch das Trägerelement hindurch erstrecken, und an einer Unterseite des Trägerelementes oder der Wärmeübertragungsvorrichtung als Widerhaken hervorstehen und die Halteelemente und das Trägerelement zusammenhalten. Dies erleichtert eine Montage und spart Material, z.B. Rahmenteile zur Halterung, ein.
In einer anderen Ausführung ist das Trägerelement aus einem Hartschaumstoffmaterial gebildet ist. So wird ein Gewicht, auch für die Handhabung, verringert. Damit ist das Trägerelement gleichzeitig Montageplatte als Aufnahmebauteil für die Rohreinrichtung und die Wärmeleitschicht.
Es ergibt sich ein Aufbau von bedeutend geringer Dicke. Wenn der Rand das Trägerelement im Wesentlichen umlaufend seitlich umgibt, ist eine einfache Kantenschutzfunktion erreicht.
In einer noch anderen Ausführung ist das Trägerelement rechteckig mit einem ausgesparten Anschlussabschnitt für Anschlussrohrabschnitte der mindestens einen Rohreinrichtung ausgebildet. Dieser Anschlussabschnitt ist so angeordnet, dass er den elektrischen Anschlüssen des Photovoltaikmoduls benachbart ist, so dass Anschlusszeiten verkürzt werden können.
Eine Photovoltaikmodulanordnung mit einem Photovoltaikmodul weist die oben beschriebene Wärmeübertragungsanordnung auf.
Es ist ferner möglich, eine maximale Rohreinrichtungslänge – und somit eine große Wärmeübertragungsfläche – auf kleinstem Raum zu erhalten.
Bei einer Oberflächentemperatur von bis zu 80°C lassen sich Photovoltaikmodule mit in der Rohreinrichtung einströmendem Wasser von z.B. 15°C innerhalb kurzer Zeit auf ca. 25°C abkühlen. Das bedeutet dann eine relativ große Leistungssteigerung, die je nach Ausgangssituation und Bedingungen bis zu 30 % erreichen kann.
Die Wärme, die im Rahmen dieses Kühlprozesses beim Kühlen des Photovoltaikmoduls durch die Wärmeübertragungsanordnung entsteht bzw. abgeführt wird, ist ein Nebenprodukt. Das zugeführte Wasser erwärmt sich dabei. In Verbindung mit entsprechenden Systemkomponenten, z.B. geeignete Wärmetauscher/Wärmepumpen, können diese Niedertemperaturen für ganzheitliche Energiesysteme optimal genutzt werden.
Die Wärmeübertragungsanordnung ist ein Kühl- und Heizelement in Leichtbauweise für Photovoltaikmodule, bestehend aus rückseitigem Schutz- und Trägerelement, Wärmedämmmaterial, Kunststoff- oder Kupferrohr mechanisch fixiert und eingebettet in aufgepresstem wärmeleitfähigen Material.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung ist so ausgeführt, dass sie hinter jedes gewöhnliche installierte Photovoltaikmodul klemmbar ist. Durch den direkten Kontakt der Kontaktseite des wärmeleitenden Wärmeübertragungsmaterials, z.B. Graphit, mit der innen liegenden Unterseite des Photovoltaikmoduls (meistens eine Tedlarfolie) erfolgt die Wärmeübertragung ganzflächig.
Die Abführung der Wärme hat folgende Vorteile:

– Das Photovoltaikmodul wird gekühlt und erzielt dadurch eine höhere Leistung.
– Je mehr Wärme abgeführt wird und je niedriger die Betriebstemperaturen des Photovoltaikmoduls sind, je höher ist dessen Wirkungsgrad.
– Die Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung des Photovoltaikmoduls wird erheblich gesteigert.
– Das durch den Kühlprozess erwärmte Wärmeübertragungsfluid kann zusätzlich zur Energienutzung im Niedertemperaturbereich (z.B. Warmwasseraufbereitung, Wärmepumpenbetrieb, Speicher für Heizungs- und Trinkwasserbetrieb, Prozesswärmebereitstellung, Inverterbetrieb für Kühlprozesse, etc.) genutzt werden.

Mit der Wärmeübertragungsvorrichtung ist auch eine Erwärmung des Photovoltaikmoduls insbesondere im Winter bei Schneefall möglich, um aufliegenden Schnee und Eis, z.B. nachts, zu schmelzen, wodurch aufgrund der schneefreien Einstrahlfläche auch im Winter eine hohe Leistung des Photovoltaikmoduls erzielbar ist.
Durch das einfache Hinterklemmen der Wärmeübertragungsvorrichtung kann jedes handelsübliche Photovoltaikmodul zu einer multifunktionalen Energiequelle aufgerüstet werden und bietet dadurch einen weiteren großen Schritt zur effektiven regenerativen Energiegewinnung.
Die Erfindung wird nun anhand einer beispielhaften Ausführung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Photovoltaikmodulanordnung mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsanordnung;
2 eine schematische perspektivische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Wärmeübertragungsanordnung nach 1 ohne Wärmeübertragungsmittel;
3 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsanordnung nach 1;
4 eine Längsschnittansicht der zusammengebauten erfindungsgemäßen Photovoltaikmodulanordnung nach 1 mit der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsanordnung;
5–5b Ansichten eines Halteelementes;
6–8 vergrößerte Teilansichten von Abschnitten des Halteelementes nach 5a; und
9 eine transparente Ansicht der zusammengebauten erfindungsgemäßen Photovoltaikmodulanordnung nach 1.
1 zeigt eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Photovoltaikmodulanordnung 3 mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsanordnung 1.
Die Photovoltaikmodulanordnung 3 umfasst ein Photovoltaikmodul 2, die Wärmeübertragungsanordnung 1 mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung 4, Klemmelemente 5 und Befestigungselemente 6.
Das Photovoltaikmodul 2 ist gemäß üblicher Bauart in einer rechteckigen Form erstellt, weist einen Rahmen und eine Modulunterseite 10 auf und wird nicht weiter erläutert.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung 4 weist eine an das Photovoltaikmodul 2 angepasste Rechteckform mit einer Unterseite 8 und einer Kontaktseite 9 auf. Die Kontaktseite 9 ist zum Kontakt mit der Modulunterseite 10 des Photovoltaikmoduls 2 vorgesehen, was im Zusammenhang mit 4 noch näher erläutert wird.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung 4 ist zur Montage unterhalb bzw. innerhalb der Modulunterseite 10 des Photovoltaikmoduls 2 vorgesehen. Zur Befestigung der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 an dem Photovoltaikmodul 2 sind Klemmelemente 5 vorgesehen. Die Klemmelemente 5 sind hier schienenartige Profile, die quer zur Längsrichtung der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 verlaufen und mit Befestigungselementen 6, z.B. Schrauben oder Klemmeinrichtungen, mit dem Rahmen des Photovoltaikmoduls verbunden werden. Die Klemmelemente 5 dienen zur Befestigung und können mit der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 verbunden werden. Dies ist aber nicht unbedingt erforderlich, da der Rahmen des Photovoltaikmoduls 2 eine seitliche Fixierung der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 ermöglicht. Unterschiedliche Ausführungen sind möglich, hier ist nur eine Möglichkeit angedeutet.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung 4 weist an einer Querseite, in der 1 rechts, eine rechteckförmige Aussparung auf, die als Anschlussabschnitt 7 bezeichnet ist. Dieser Anschlussabschnitt 7 dient zum Anschluss der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 an ein Rohrleitungssystem, was unten noch erläutert wird. Der Anschlussabschnitt 7 liegt vorzugsweise unterhalb eines Anschlusses, z.B. ein Elektroanschlusskasten mit Kabelanschluss des Photovoltaikmoduls 2.
In 2 ist eine schematische perspektivische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Wärmeübertragungsanordnung 1 nach 1 ohne Wärmeübertragungsmittel 25 dargestellt. 3 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsanordnung 1 nach 1, und 4 stellt eine Längsschnittansicht der zusammengebauten erfindungsgemäßen Photovoltaikmodulanordnung 3 nach 1 mit der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsanordnung 1 dar.
Die Wärmeübertragungsanordnung 1 umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung 4 mit einem Rahmen 11, einem Trägerelement 14, Halteelementen 15, mindestens einer Rohreinrichtung 16 und einem Wärmeübertragungsmittel 25 (siehe 4).
Der Rahmen 11 weist einen um das Trägerelement 14 zumindest teilweise umlaufenden Rand 12 auf. Der Rahmen 11 dient zur Aufnahme und Hausung für die Halteelemente 15 und die mindestens eine Rohreinrichtung 16 sowie für die Wärmeübertragungsmittel 25. Innerhalb des Rahmens 11 ist das Trägerelement 14 hier in Form einer Isolierplatte aufgenommen. Das Trägerelement 14 ist mit den Halteelementen 15 bestückt, welche zur Halterung und Führung der mindestens einen Rohreinrichtung 16 dienen. Ein Zwischenraum 13 zwischen einzelnen Elementen und Abschnitten der mindestens einen Rohreinrichtung 16, zwischen diesen und dem Rand 12 sowie einer Trägeroberseite 14a des Trägerelementes 14 ist in 2 ohne die Wärmeübertragungsmittel 25 dargestellt. Die Wärmeübertragungsmittel 25 wird in diese Zwischenräume 13 eingebracht und umschließt die mindestens eine Rohreinrichtung 16 im Wesentlichen vollständig. Dies wird unten noch näher erläutert.
Der Rahmen 11 kann aus Kunststofffolie, Alufolie, Kunststoff, Lack, Vlies, Holz, Glasfasergewebe bestehen, und/oder kaschiert, laminiert, geklebt, als flache Beschichtung oder allseitig umgebogen/geformt sein. So kann er in einer anderen Ausführung z.B. als ein geformtes, bearbeitetes Metallgehäuse (Aluminiumblech, Stahlblech, Metalllegierung u.dgl.) in Stärken bis zu 3 mm oder größer sein. Beispielsweise ist der Rahmen 11 ein Stanzbiegeteil mit einem Bodenelement 17 (3). Das Bodenelement 17 ist z.B. eine Platte, deren Rand 12 an den Längs- und Querseiten sowie in dem Anschlussabschnitt 7 der Wärmeübertragungsanordnung 1 nach oben gekantet ist. Auch ein geformtes und bearbeitetes Kunststoffgehäuse, tiefgezogen, gepresst, Spritzgussteil usw. in Stärken bis zu 5 mm oder auch größer ist möglich.
Die Ausführung des Rahmens 11 kann in jeder Stärke und Materialart, als flaches Bauteil oder allseitige umgebogen und geformt als Schachtel gestaltet sein. Eine allseitig umlaufende Biegung dient als Dichtung und Sicherung der Kanten. Die Biegung kann auch versteifende Funktionen aufweisen. Weiterhin kann der Rahmen 11 bestimmte Materialstrukturen für eine bestimmte Eigenstabilität besitzen. Zudem können eine oder mehrere Vorrichtungen zur Befestigung, z.B. durch Fixierung und/oder Klemmung, an dem Photovoltaikmodul 2 vorhanden sein.
Der Rahmen 11 bildet außer der Aufnahme der inneren Bauteile der Wärmeübertragungsanordnung 1 für diese einen Schutz nach außen, einen Witterungsschutz, einen Insektenschutz, einen Feuchtigkeitsschutz sowie Stabilität und sichere Handhabung der Wärmeübertragungsanordnung 1 auf einer Baustelle bzw. bei der Installation auf einem Dach hinter den Photovoltaikmodulen 2 zur Herstellung von Photovoltaikmodulanordnungen 3.
Das Trägerelement 14 ist als Platte bzw. Dämmplatte z.B. aus Polystyrol-Hartschaum (XPS), Styropor (EPS), Mineralfaser, Polyurethan (PUR), PIR- oder Prepolymer-Hartschaum hergestellt. Eine Materialstärke des Trägerelementes 14 kann vorzugsweise bis zu 40 mm betragen und bei Bedarf auch darüber liegen. Das Trägerelement 14 ist gleichzeitig ein Aufnahmebauteil für die Rohreinrichtung 16 mit den Halteelementen 15 und für das Wärmeübertragungsmittel 25.
Die Halteelemente 15 dienen zur Verlegung, Aufnahme und Halterung der Rohreinrichtung 16. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei Halteelemente 15 quer zur Längsrichtung des Trägerelementes 14 angeordnet, wobei eines in der Mitte verläuft und die anderen jeweils links und rechts davon im gleichmäßigen Abstand dazu auf des Trägerelementes 14 aufgebracht sind. Dieser Abstand entspricht in diesem Beispiel etwa einem Drittel der halben Länge des Trägerelementes 14. Zwischen diesen beiden Halteelemente 15 und den Querseiten des Trägerelementes 14 sind jeweils zwei kurze Halteelemente 15a in Längsrichtung des Trägerelementes 14 verlaufend auf dem Trägerelement 14 befestigt.
Die Anordnung der Halteelemente 15, 15a auf der Trägeroberseite 14a des Trägerelementes 14 erfolgt so, dass eine möglichst gleichmäßige Verlegung der Rohreinrichtung 16 auf der gesamten Fläche der Trägeroberseite 14a erreicht wird. Die Halteelemente 15, 15a weisen Halteöffnungen 21 (siehe 5, 5a) auf, in welchen die Rohreinrichtung 16 aufgenommen wird. Die Halteelemente 15, 15a werden unten weiter noch näher beschrieben.
Die Rohreinrichtung 16 besteht vorzugsweise aus einem Kunststoffrohr oder -schlauch mit einem Durchmesser von z.B. bis zu 20 mm, wobei ein optimaler Durchmesser 10 mm oder 12 mm beträgt. Alternativ kann die Rohreinrichtung 16 auch aus Kupferrohr (gebogen mit bis zu 16 mm Durchmesser, optimal sind z.B. 10 mm oder 12 mm).
In dem gezeigten Beispiel in 2 besteht die Rohreinrichtung 16 aus zehn parallel zueinander in Längsrichtung des Trägerelementes 14 verlaufenden Längsrohrabschnitten 16a, welche im Bereich der Querseiten des Trägerelementes 14 über Halbkreisrohrabschnitte 16b und Viertelkreisrohrabschnitte 16c sowie einen Querrohrabschnitt 16d untereinander verbunden sind. Zwei mittlere Längsrohrabschnitte 16a liegen mit ihren Enden nebeneinander vor dem Anschlussabschnitt 7 der Wärmeträgerübertragungsvorrichtung 4, wobei ihre Enden jeweils mit einem, sich nach schräg unten in den Anschlussabschnitt 7 erstreckenden Anschlussrohrabschnitt 16e verbunden sind. Die Anschlussrohrabschnitte 16e können dabei jeweils im Rand 12 im Anschlussabschnitt 7 durch nicht näher gekennzeichnete Durchführungsöffnungen geführt und gehalten sein. Einer der Anschlussrohrabschnitte 16e dient zur Einspeisung eines Wärmeübertragungsfluids in die Rohreinrichtung 16 und der andere der Anschlussrohrabschnitte 16e zum Austritt des Wärmeübertragungsfluids aus der Rohreinrichtung 16.
In 2 ist die Rohreinrichtung 16 als ein Kreislauf ausgebildet. Selbstverständlich können auch zwei oder mehrere Kreisläufe angeordnet sein.
Die Rohreinrichtung 16 als Kunststoffrohr oder -schlauch lässt sich einfach in beliebigen Formen legen und mittels der Halteelemente 15, 15a auf dem Trägerelement 14 fixieren. Die Länge und Form der Rohreinrichtung 16 ist variabel und kann in einer Gesamtlänge beispielsweise bis zu 30 m und mehr betragen.
Das Wärmeübertragungsfluid kann z.B. eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, behandeltes Wasser, Glykolgemische oder Flüssigkeiten mit Graphitpartikeln zur besseren Wärmeleitung sein. Natürlich können auch Gase, wie beispielsweise Luft oder Inertgase, zur Anwendung kommen. Das Wärmeübertragungsfluid dient zur Wärmeübertragung von Wärme zwischen dem auf der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 angebrachten Photovoltaikmodul 2 und dem Transport dieser übertragenen Wärme entweder aus der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 zu einem entfernt aufgestellten Wärmetauscher (nicht gezeigt) oder von diesem in das Photovoltaikmodul 2 hinein. Im ersten Fall dient das Wärmeübertragungsfluid zum Abtransport von Wärme zur Kühlung des Photovoltaikmoduls 2, und im zweiten Fall kann durch Zufuhr von Wärme das Photovoltaikmodul 2 im Winter von Schnee und Eis befreit werden.
Die Anschlussrohrabschnitte 16e der Rohreinrichtung 16 werden mit Anschlussrohrabschnitten 16e weiterer Rohreinrichtungen 16 anderer Wärmeübertragungsvorrichtungen einer nicht gezeigten Gruppe von Photovoltaikmodulanordnungen z.B. parallel verbunden und gemeinsam an den Wärmetauscher angeschlossen. Es können in einer solchen Installation auch so genannte Rohrschnellverbinder zur Anwendung kommen, um eine Montage zu vereinfachen. Derartige Rohrschnellverbinder können beispielsweise schon an den Anschlussrohrabschnitten 16e vormontiert sein.
Auf der Trägeroberseite 14a des Trägerelementes 14 ist das Wärmeübertragungsmittel 25 in dem Zwischenraum 13 zwischen den Rohrabschnitten der Rohreinrichtung 16, der Trägeroberseite 14a und dem Rand 12 derart auf- und eingebracht, dass es die Rohreinrichtung 16 mit allen ihren Abschnitten 16a...16e im Wesentlichen vollständig kontaktiert bzw. umschließt und den Zwischenraum 13 vollständig ausfüllt. Das Wärmeübertragungsmittel 25 bildet eine Wärmeübertragungsschicht mit einer Oberfläche, welche als die Kontaktseite 9 der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 ausgebildet ist. Dies ist in der Längsschnittansicht der 4 dargestellt.
Das Photovoltaikmodul 2 kontaktiert mit seiner Modulunterseite 10, die z.B. eine Tedlarfolie ist, vollflächig die Kontaktseite 9, die aus dem Wärmeübertragungsmittel 25 besteht.
Durch den Einschluss der Rohreinrichtung 16 in das wärmeleitfähige Wärmeübertragungsmittel 25 wird eine schnelle und effiziente Wärmeübertragung in erster Linie durch Wärmeleitung zwischen dem Photovoltaikmodul 2 und dem in der Rohreinrichtung 16 geführten Wärmeübertragungsfluid erreicht. Aufgrund der gleichmäßigen Verteilung der Rohreinrichtung 16 über die gesamte Fläche der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 ist eine schnelle und homogene Wärmeübertragung zwischen dem Photovoltaikmodul 2 und dem Wärmeübertragungsfluid in der Rohreinrichtung 16 möglich, woraus sich maximale Leistungswerte des Photovoltaikmoduls 2 bei Betrieb ergeben können.
Das Wärmeübertragungsmittel 25 wird z.B. aus expandiertem Graphit in den Zwischenraum 13 eingepresst, wobei entsprechende Haftmittel an der Trägeroberseite 14a des Trägerelementes 14 vorgesehen werden können. Die so hergestellte aufgepresste Schicht, mit welcher die Rohrabschnitte 16a–16e der Rohreinrichtung 16 mindestens seitlich eingeschlossen sind, wobei kleine Auflageabschnitte der Rohreinrichtung 16, die auf den Halteelementen 15, 15a aufliegen, nicht eingeschlossen sind, erlaubt eine schnelle und effiziente Wärmeübertragung. Dabei sind jedoch auch die Halteelemente 15, 15a von dem Wärmeübertragungsmittel 25 eingeschlossen. Je nach Durchmesser der Rohreinrichtung 16 kann diese vollständig in dem aufgepressten Wärmeübertragungsmittel 25 eingebettet sein.
Das Wärmeübertragungsmittel 25 kann als expandiertes Graphit z.B. in Form von Gewebe, Paste, Fasern und/oder Folie auf- und/oder eingebracht werden.
Die Klemmelemente 5 unterhalb des Trägerelementes 14 sind in diesem Beispiel nach 4 über Befestigungsmittel 6a, z.B. Nieten, Schrauben oder Raststifte, mit dem Rahmen des Photovoltaikmoduls 2 verbunden und fixieren somit die Wärmeübertragungsvorrichtung 4 unter dem Photovoltaikmodul 2 zu der Photovoltaikmodulanordnung 3
5 zeigt eine Draufsicht des Halteelementes 15, 15a, 5a zeigt dazu eine Seitenansicht, und 5b eine Frontansicht. In 6 ist eine vergrößerte Teilansicht des Abschnitts VI aus 5a gezeigt. 7 stellt eine vergrößerte Teilansicht des Abschnitts VII aus 5a dar, und 8 zeigt eine vergrößerte Teilansicht des Abschnitts VIII aus 5b.
Das Halteelement 15, 15a weist diesem Ausführungsbeispiel einen im Allgemeinen U-profilförmigen Querschnitt mit einem Basisabschnitt 18 und zwei Schenkelabschnitten 19 auf.
Die Schenkelabschnitte 19 sind mit den Halteöffnungen 21 versehen, wobei sich die Halteöffnungen 21 beider Schenkelabschnitte 19 genau gegenüberstehen und jeweils eine nach oben weisende Öffnung mit einem Halteöffnungswinkel 21a von z.B. 70° aufweisen. Dies ist in 6 deutlich zu erkennen. Die Halteöffnungen 21 sind in regelmäßigen Abständen 21b von z.B. 20 mm angeordnet und korrespondieren mit dem Durchmesser der Rohreinrichtung 16. An ihrer Einführungsseite sind die Halteöffnungen 21 beidseitig mit Haltenasen versehen, welche dadurch gebildet sind, dass die Halteöffnungen 21 jeweils einen Kreisabschnitt mit einem Winkel von mehr als 180° besitzen. D.h. bei dem Halteöffnungswinkel 21a von z.B. 70° beträgt der Winkel dieses Kreisabschnitts 290°. Auf diese Weise ergeben sich klipsartige Halteöffnungen 21a, in welche die Rohrabschnitte 16a...16e der Rohreinrichtung 16 einfach und schnell eingeklipst werden können und dann von den Haltenasen der Halteelemente 15, 15a gehalten sind.
Der Basisabschnitt 18 weist Befestigungsöffnungen 20 zur Befestigung auf dem Trägerelement 14 auf. In diesem Beispiel ist der Basisabschnitt 18 an seiner Unterseite mit in seiner Längsrichtung regelmäßig beabstandeten Ankern 22 an unteren Enden von Stiften 23 versehen, mit welchen das Halteelement 15, 15a in das Trägerelement 14, wenn es eine Dämmstoffplatte ist, in einfacher Weise eingedrückt und befestigt werden kann.
In einer Ausführung treten die Anker 22 in das Trägerelement 14 vollständig ein und sind über Widerhaken an den Ankern gesichert. Für die Montage müssen die Anker lediglich in das Trägerelement eingedrückt werden.
Alternativ ist es möglich, dass die Anker 22 durch das Trägerelement 14 durchgeführt sind und an der gegenüberliegenden Seite mit den Widerhaken hervorstehen. Dadurch ist es möglich, über die Anker 22 weitere Bauteile zu fixieren, beispielsweise die Klemmelemente 5. Zudem kann das Trägerelement 14 beispielsweise nur mit dem umlaufenden Rand 12 als Rahmen 11 versehen ist, wobei die Unterseite 8 des Trägerelementes 14 gleichzeitig die Unterseite der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 bildet.
Zwischen den Stiftenden, die mit der Unterseite des Basisabschnitts 18 verbunden oder einstückig hergestellt sind, erstrecken sich in Längsrichtung in der Mitte der Unterseite des Basisabschnitts 18 Versteifungen 24 wie dies in 8 dargestellt ist. Die Versteifungen 24 verstärken den Bodenabschnitt 18 und somit das Halteelement 15, 15a und liegen nach der Montage auf der Trägeroberfläche 14a auf oder drücken sich in diese ein.
Die Stifte 23 der Anker 22 weisen einen Durchmesser 23a von z.B. 2 mm auf und gehen an ihren unteren, freien Enden, an denen die Anker 22 angebracht sind, in eine Spitze mit einem Ankerelementwinkel 22c von etwa 16° über. Ein Abstand der Stifte 23 untereinander in Längsrichtung des Halteelementes 15 beträgt z.B. 40 mm.
7 zeigt den Anker 22 in vergrößerter Darstellung. Der Anker 22 weist hier vier gegenüberstehende Ankerelemente 22d auf, die an dem unteren Ende des Stiftes 23 gemeinsam angeformt sind und einen Ankerelementradius 22a von z.B. 0,5 mm an diesem Ende besitzen. Die oberen freien Enden der Ankerelemente 22d stehen in einem Ankerelementwinkel 22b von 60–80° auseinander und bilden einen Widerhaken, der bei Montage der Halteelemente 15, 15a in dem Trägerelement 14 oder an dessen Unterseite 8 einen Widerstand gegen Herausziehen bildet und so die Halteelemente 15, 15a an dem Trägerelement 14 festlegt. Eine Ankerlänge 22e der Ankerelemente 22b von dem unteren Ende des Stiftes 23 nach oben beträgt 5–9 mm, wobei eine Stiftlänge 23b von dem unteren Ende des Stiftes 23 bis zur Unterseite des Basisabschnitts 18 des Halteelementes 15, 15a 12–16 mm beträgt.
Schließlich zeigt 9 eine transparente Ansicht der zusammengebauten erfindungsgemäßen Photovoltaikmodulanordnung 3 nach 1 mit Aufteilung der Rohreinrichtung 16 in den Halteelementen 15, 15a unterhalb des Photovoltaikmoduls 2, wobei die mit der Unterseite des Trägerelementes 14 verbundenen Klemmelemente 5 mit Befestigungselementen 6 hier am Rahmen des Photovoltaikmoduls 2 befestigt sind. Die Klemmelemente 5 sind durch Befestigungselemente am Rahmen 11 der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 befestigt, beispielsweise durch Klemmung oder Verschraubung. Andere geeignete Befestigungsarten sind natürlich auch möglich. Auf der linken Seite der 9 ist der Anschlussabschnitt 7 mit den Anschlussrohrabschnitten 16e zu erkennen. Da diese Anschlussrohrabschnitte 16e beim elektrischen Anschluss des Photovoltaikmoduls 2 angeordnet sind, sind die Anschlussarbeiten pro Photovoltaikmodulanordnung 3 auf diesen Raum begrenzt und können in einem Arbeitsgang erfolgen.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung 4 kann somit ohne großen Aufwand bei dem Photovoltaikmodul 2 auch nachgerüstet werden. Durch die beschriebene Leichtbauweise und einfache Montage- und Anbringungsmöglichkeiten können auch bereits installierte Photovoltaikmodule 2 nachgerüstet werden.
Außerdem kann die Wärme, welche von den Photovoltaikmodulen 2 bei Betrieb erzeugt und von der Wärmübertragungsvorrichtung 4 abgeführt wird, als Nebenprodukt solarthermischer Wärmeerzeugung zusätzlich, z.B. in einem geeigneten separaten Wärmetauscher, weiterverwendet werden.
Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie ist im Rahmen der beigefügten Ansprüche modifizierbar.
Das Wärmeübertragungsmittel 25 kann auch aus einem anderen wärmeleitfähigen Material als Graphit bestehen. So können im Prinzip alle hoch wärmeleitfähigen Füllmaterialien, auch in Kombination mit Graphit, zum Einsatz kommen.
Die Halteelemente 15, 15a können z.B. auch L-förmig gestaltet sein. Ihre Befestigung kann z.B. auch durch Kleben erfolgen. Die Halteelemente 15, 15a sind z.B. metallische Profile oder aus Kunststoff ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Wärmeübertragungsanordnung
2: Photovoltaikmodul
3: Photovoltaikmodulanordnung
4: Wärmeübertragungsvorrichtung
5: Klemmelement
6, 6a: Befestigungselement
7: Anschlussabschnitt
8: Unterseite
9: Kontaktseite
10: Unterseite Photovoltaikmodul
11: Rahmen
12: Rand
13: Zwischenraum
14: Trägerelement
14a: Trägeroberseite
15, 15a: Halteelement
16: Rohreinrichtung
16a: Längsrohrabschnitt
16b: Halbkreisrohrabschnitt
16c: Viertelkreisrohrabschnitt
16d: Querrohrabschnitt
16e: Anschlussrohrabschnitt
17: Bodenelement
18: Basisabschnitt
19: Schenkelabschnitt
19a: Schenkelradius
20: Befestigungsöffnung
21: Halteöffnung
21a: Halteöffnungswinkel
21b: Abstand
22: Anker
22a: Ankerelementradius
22b, 22c: Ankerelementwinkel
22d: Ankerelement
22e: Ankerlänge
23: Stift
23a: Stiftdurchmesser
23b: Stiftlänge
24: Versteifung
25: Wärmeübertragungsmittel

Claims

Wärmeübertragungsanordnung (1) für ein Photovoltaikmodul (2), umfassend eine Wärmeübertragungsvorrichtung (4) und Klemmelemente (5) zur Befestigung der Wärmeübertragungsvorrichtung (4) an dem Photovoltaikmodul (2); wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung (4) aufweist: a) einen Rahmen (11) mit einem Rand (12); b) ein Trägerelement (14); c) mindestens eine auf dem Trägerelement (14) angebrachte Rohreinrichtung (16); und d) ein die mindestens eine Rohreinrichtung (16) kontaktierendes Wärmeübertragungsmittel (25), welches auf dem Trägerelement (14) aufgebracht ist und die mindestens eine Rohreinrichtung (16) kontaktiert und im Wesentlichen vollständig umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass e) das Wärmeübertragungsmittel (25) eine Wärmeübertragungsschicht mit einer Oberfläche, welche als eine Kontaktseite (9) der Wärmeübertragungsvorrichtung (4) für einen Wärmeübertragungskontakt mit dem zugeordneten Photovoltaikmodul (2) ausgebildet ist, bildet.
Wärmeübertragungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmittel (25) aus einem wärmeleitenden Material ausgebildet ist.
Wärmeübertragungsanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmittel (25) aus einem expandierten Graphitmaterial ausgebildet ist.
Wärmeübertragungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Rohreinrichtung (16) mittels Halteelementen (15, 15a) auf dem Trägerelement (14) angebracht ist.
Wärmeübertragungsanordnung (1) Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (15, 15a) mit der mindestens einen Rohreinrichtung (16) korrespondiere Halteöffnungen (21) mit Haltenasen aufweisen.
Wärmeübertragungsanordnung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (15, 15a) Anker (22) aufweisen.
Wärmeübertragungsanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anker (22) an Stiften (23), welche sich durch das Trägerelement (14) hindurch erstrecken, angebracht sind und an einer Unterseite (8) des Trägerelementes (14) oder der Wärmeübertragungsvorrichtung (4) als Widerhaken hervorstehen und die Halteelemente (15, 15a) und das Trägerelement (14) zusammenhalten.
Wärmeübertragungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (14) aus einem Hartschaumstoffmaterial gebildet ist.
Wärmeübertragungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (12) das Trägerelement (14) im Wesentlichen umlaufend seitlich umgibt.
Wärmeübertragungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (14) rechteckig mit einem ausgesparten Anschlussabschnitt (7) für Anschlussrohrabschnitte (16e) der mindestens einen Rohreinrichtung (16) ausgebildet ist.
Photovoltaikmodulanordnung (3) mit einem Photovoltaikmodul (2) und mit einer Wärmeübertragungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.