DE202017102482U1

DE202017102482U1 - Schwimmfähige Fotovoltaikanlage

Info

Publication number: DE202017102482U1
Application number: DE202017102482.2U
Authority: DE
Original assignee: BPE EK
Current assignee: BPE EK
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2017-06-20
Anticipated expiration: 2027-04-27
Also published as: EP3519743A1; DE102016118265A1; WO2018059616A1; DE102016118265B4

Abstract

Schwimmfähige Fotovoltaikanlage zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend einen Schwimmkörper (1) und ein oder mehrere am Schwimmkörper (1) thermisch kontaktierend angebrachte Fotovoltaikelemente (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper (1) aus einem metallischen Werkstoff besteht und einen wasserdichten Sandwichaufbau mit einer Deckplatte (1.1), einer Bodenplatte (1.2) und einer zwischen diesen beiden angeordneten Dünnblechstruktur (1.3) aufweist, wobei ein oder mehrere abgeschlossene Hohlräume im Inneren des Sandwichaufbaus ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine schwimmfähige Fotovoltaikanlage zur Erzeugung elektrischer Energie, zum Beispiel zur Stromversorgung von Wasserreinigungs- oder Fischzuchtanlagen.
Die dezentrale Erzeugung elektrischer Energie ist in Entwicklungs- und Schwellenländern weit verbreitet; eine Alternative zu den verbrennungsmotorgetriebenen Generatoren stellt dabei die Nutzung der Sonnenenergie dar. Insbesondere in der Gewässerwirtschaft, zum Beispiel in Fisch- und Krustentierfarmen, besteht ein erheblicher Energiebedarf für die Gewässerreinigung, der umweltfreundlich und kostengünstig mittels Fotovoltaik und elektrothermischer Wandler gedeckt werden kann.
Es ist bekannt, zum Beispiel aus US 5 505 788 A , Fotovoltaikelemente auf Sandwich-Unterkonstruktionen zu montieren. Die Sandwichbauweise verringert die Masse der Aufbauten, sodass der Energiebedarf bei beweglichen Anlagen, insbesondere bei solchen, die sich entsprechend des Sonnenstandes selbsttätig ausrichten, gering bleibt. Sandwichkonstruktionen bestehen typischerweise aus einer Deck- und Bodenplatte und einer dazwischenliegenden Stützstruktur. Eine solche Sandwichkonstruktion mit einer Stützstruktur aus sechseckigen Waben, sogenannten Honigwaben oder honeycombs, wird beispielsweise in US 3 600 257 A beschrieben. Die Fotovoltaikanlagen mit Sandwich-Unterbau nach US 5 505 788 A sind allerdings landbasiert und nicht für den Einsatz im Wasser vorgesehen.
In DE 36 19 327 A1 ist eine schwimmfähige Fotovoltaikanlage mit kombinierter Fotonen- und Wärmeenergiekonversion offenbart, deren Oberseite mit Halbleiterfotoelementen versehen ist und deren Unterseite sich bei Betrieb unterhalb der Wasseroberfläche befindet. Zwischen der heißen, der Sonneneinstrahlung zugewandten Oberseite und der wassergekühlten Unterseite befinden sich Thermogeneratoren zur Gewinnung von elektrischer Energie aus dem durch den Temperaturgradienten bedingten Wärmeenergiefluss. Nachteilig ist, dass der Schwimmkörper aus einem Material hoher Wärmedämmung hergestellt ist, wodurch eine direkte Kühlung der Fotovoltaikelemente durch das Wasser verhindert ist. Dies erfordert, dass die Thermogeneratorelemente zumindest einseitig direktem Wasserkontakt ausgesetzt sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine robuste, schwimmfähige Fotovoltaikanlage zur Umwandlung von Lichtenergie mittels Fotovoltaikelementen in elektrische Energie bereitzustellen, die eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Kühlung ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die Fotovoltaikanlage mit den kennzeichnenden Merkmalen nach dem Anspruch 1 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 10.
Nach Maßgabe der Erfindung weist die schwimmfähige Fotovoltaikanlage einen metallischen Schwimmkörper und mindestens ein Fotovoltaikelement auf.
Im Folgenden wird die Fotovoltaikanlage mit jeweils einem Fotovoltaikelement beschrieben; die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt sondern kann auch mehrere Fotovoltaikelemente umfassen, die zum Beispiel mittels einer Steuer- und Regelungseinheit miteinander vernetzt sind.
Der Schwimmkörper besteht aus einem metallischen Werkstoff, zum Beispiel aus einer Aluminiumlegierungen, einer Titanlegierungen oder einer anderen Leichtmetalllegierung. Er weist einen wasserdichten Sandwichaufbau mit einer Deckplatte, einer Bodenplatte und einer zwischen diesen beiden angeordneten Dünnblechstruktur auf. Die Dünnblechstruktur kann zum Beispiel eine Wellblechstruktur, eine Honigwabenstruktur, ein geschlossenporiger Metallschaum oder eine Faltwabenstruktur sein. Innerhalb des Sandwichaufbaus sind ein oder mehrere abgeschlossene Hohlräume ausgebildet, die von den Wänden der Dünnblechstruktur, der Bodenplatte und/oder der Deckplatte umschlossen sind.
Zur Gewährleistung der Dichtheit des Sandwichaufbaus gegen das Eindringen von Wasser (oder anderen Flüssigkeiten) wird entweder eine an sich wasserdichte Dünnblechstruktur verwendet, zum Beispiel der geschlossenporige Metallschaum, oder offene Dünnblechstrukturen, deren Hohlräume beim Verbinden mit der Boden- und Deckplatte wasserdicht verschlossen werden. Dies kann, wie allgemein bekannt, zum Beispiel durch Kleben oder Löten erfolgen. Die Dünnblechstruktur kann zudem einen Rahmen aufweisen, der mit der Bodenplatte und der Deckplatte verbunden ist und den inneren Hohlraum umschließt.
Einer der wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Fotovoltaikanlage ist deren robuster Aufbau; auch bei unvorsichtigem Handling ist der metallische Schwimmkörper mit den darauf befindlichen Fotovoltaikelementen weitgehend schadenstolerant.
Der bestimmungsgemäße Betrieb der Fotovoltaikanlage erfolgt im schwimmenden Zustand in Gewässern jeglicher Art, wobei die Wasserumgebung zur Kühlung des Fotovoltaikelementes genutzt wird. Die gute Wärmeleitfähigkeit des metallischen Schwimmkörpers gewährleistet, dass sich das Fotovoltaikelement bei starker Sonneneinstrahlung nicht zu stark erwärmt, da die Wärme sehr schnell und effektiv an das kühlende Wasser abgegeben wird. Der Schwimmkörper wirkt gleichzeitig als Wärmeleitkörper. Hohe Betriebstemperaturen des Fotovoltaikelementes, die zu einem als Voltage-Drop bekannten Leistungseinbruch führen, werden infolgedessen vermieden.
Ein weiterer Vorteil der Fotovoltaikanlage ist, dass diese auch außerhalb der Wasserumgebung, also nicht schwimmend, betreibbar ist. Die Fotovoltaikanlage kann bei Aufstellung auf kühlen Flächen oder bei Positionierung des Schwimmkörpers im Bereich kühler Luftströmungen effizient betrieben werden.
Besonders vorteilhaft ist die Dünnblechstruktur eine Wabenstruktur aus prismenförmigen Waben mit sechseckiger Grundfläche, d. h., die Wabenstruktur setzt sich aus Honigwaben zusammen. Die Wabenwände aus Dünnblech umschließen jeweils Hohlräume mit sechseckiger Grundfläche. Innerhalb des Sandwichaufbaus sind die Waben vorzugsweise so orientiert, dass die Normale der sechseckigen Wabengrundfläche der Normalen der Boden- und/oder Deckplattenebene entspricht.
Es kann vorgesehen sein, dass die Hohlräume im Inneren des Sandwichaufbaus evakuiert oder mit einem Inertgas gefüllt sind. Evakuierte Hohlräume können zum Beispiel durch Kleben oder Löten in Vakuumumgebung erzeugt werden. Ein besonderer Vorteil des Schwimmkörpers mit evakuierten Hohlräumen ist, dass bei Erwärmung des Schwimmkörpers während der Sonneneinstrahlung kein Innendruck in den Hohlräumen des Schwimmkörpers durch Ausdehnung eingeschlossener Gase aufgebaut wird. Inertgase, wie Helium oder Argon, andererseits können gezielt während der Sandwichherstellung eingebracht werden, um die Wärmeleitung im Schwimmkörper während des Betriebs weiter zu verbessern.
Vorteilhafterweise sind die Deckplatte, die Bodenplatte und die Dünnblechstruktur aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. In dieser Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die freie Außenoberfläche des Schwimmkörpers, d. h. der nicht von Anbauteilen abgedeckte Oberflächenbereich, elektrolytisch oxidiert ist. Durch das Eloxieren der Außeroberfläche wird der Korrosions- und Verschleißwiderstand des Aluminium-Schwimmkörpers deutlich erhöht.
In einer Ausführung der Erfindung mit einem der Fotovoltaikelemente besitzt das Fotovoltaikelement einen Fotovoltaikelement-Rahmen an allen Seitenflächen, d. h., der Fotovoltaikelement-Rahmen umschließt das Fotovoltaikelement an dessen gesamtem Seitenumfang. Der Schwimmkörper kontaktiert das Fotovoltaikelement ausschließlich innerhalb der vom Fotovoltaikelement-Rahmen begrenzten Fläche, d. h., der Schwimmkörper bzw. die Deckplatte des Schwimmkörpers besitzt die gleiche oder eine geringere Flächenausdehnung als das Fotovoltaikelement.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass am Schwimmkörper ein oder mehrere luftgefüllte Auftriebselemente aus flexiblem Material angebracht sind. Das Volumen der Auftriebselemente ist durch Luftbefüllung, zum Beispiel mittels einer elektrisch angetriebenen Luftpumpe, vergrößerbar und durch Luftentnahme, zum Beispiel mittels eines steuerbaren Ablassventils, verkleinerbar. Dies ermöglicht es, die Fotovoltaikanlage in Bezug zur Wasseroberfläche in einer definierten Schwimmhöhe einzustellen.
In dieser Ausgestaltung der Erfindung kann an einer vorgegebenen Position neben einem der Fotovoltaikelemente ein Feuchtigkeitssensor an der Fotovoltaikanlage angebracht sein. Eine Steuer- und Regelungseinheit ist durch Kopplung mit der Luftpumpe und mit dem Ablassventil dazu ausgebildet, die Luftbefüllung der Auftriebselemente derart zu regulieren, dass sich der Feuchtigkeitssensor im schwimmenden Zustand der Fotovoltaikanlage stets im Bereich der Wasseroberfläche befindet. Die Fotovoltaikanlage passt bei unterschiedlichen Umweltbedingungen, zum Beispiel bei Veränderung des Auftriebs durch unterschiedlichen Salzgehalt des Wassers, selbsttätig ihre Schwimmhöhe an und kann unabhängig vom Einsatzort in der energieoptimalen Schwimmhöhe betrieben werden.
Ferner kann das Fotovoltaikelement unmittelbar unterhalb der Wasseroberfläche positioniert sein, d. h. auf der der Sonne zugewandten Oberseite des Fotovoltaikelementes befindet sich ein dünner Wasserfilm von zum Beispiel wenigen Millimetern. Besonders vorteilhaft ist dabei die sehr gute Kühlwirkung durch das umgebende Wasser. Außerdem werden Ablagerungen, zum Beispiel Staub, durch die Wasserbewegungen entfernt, sodass eine regelmäßige Säuberung der Fotovoltaikelemente aufgrund dieses Selbstreinigungseffektes entbehrlich ist.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
1: eine Fotovoltaikanlage im Basisaufbau im Längsschnitt,
2: eine Fotovoltaikanlage mit Auftriebselementen im Längsschnitt, und
3: eine Fotovoltaikanlage mit Fotovoltaikelement-Rahmen im Längsschnitt.
Der Basisaufbau der in Wasser schwimmenden Fotovoltaikanlage nach der 1 umfasst den Schwimmkörper 1 sowie das darauf angebrachte Fotovoltaikelement 2. Mittels elektrischer Leiter 3 wird die bei einwirkender Sonnenstrahlung 5 im Fotovoltaikelement 2 generierte elektrische Energie als Gleichstrom zur Nutzung abgeführt.
Die Deckplatte 1.1, die Bodenplatte 1.2 und sowie die Dünnblechstruktur 1.3 des Schwimmkörpers 1 sind aus einer seewasserbeständigen AlMg-Legierung hergestellt und zur Verbesserung der Korrosions- und Verschleißbeständigkeit an der freien Außenoberfläche elektrolytisch oxidiert (eloxiert). Die Dünnblechstruktur 1.3 ist eine Honigwabenstruktur, deren sechseckigen Waben sich von der Bodenplatte 1.2 zur Deckplatte 1.1 erstrecken. D. h., die Längsausrichtung der Waben entspricht der Normalen der Plattenebene der Bodenplatte 1.2 bzw. der Deckplatte 1.1. Die offenen Endbereiche der Waben sind durch die Deckplatte 1.1 und die Bodenplatte 1.2 verschlossen, wobei die Endbereiche der Wabenstege mit der Deckplatte 1.1 und der Bodenplatte 1.2 verklebt sind. Durch den Kleber werden die Hohlräume in den Waben gegen das Eindringen von Gasen und Flüssigkeiten abgedichtet.
Der Schwimmkörper 1 ist so austariert, dass sich Deckplatte 1.1 und Fotovoltaikelement 2 oberhalb der Wasseroberfläche 4 befinden, während das Gros der Dünnblechstruktur 1.3 und die Bodenplatte 1.2 im Wasser untertauchen.
Die Fotovoltaikanlage nach der 2 besitzt zwei Fotovoltaikelemente 2 sowie die Auftriebselemente 7. Diese bestehen jeweils aus einem luftgefüllten Nylongewebe. Die Volumina der Auftriebselemente 7 sind durch Luftbefüllung- und -entnahme veränderbar. Die Luftpumpe 8 und das Ablassventil 9 sind zur Steuerung der Luftmenge in den Auftriebselementen 7 über die elektrischen Leiter 3 mit der Steuerungs- und Regelungseinheit 6 verbunden. Über die mit den beiden Fotovoltaikelementen 2 vernetzte Steuerungs- und Regelungseinheit 6 wird zudem die erzeugte elektrische Energie als Gleichstrom zur Nutzung abgeführt.
Der Feuchtigkeitssensor 10 ist unmittelbar oberhalb der Oberseite des Fotovoltaikelementes 2 neben diesem angebracht. Die Steuerungs- und Regelungseinheit 6 ist derart ausgebildet, dass bei Wasserkontakt des Feuchtigkeitssensors 10 die Luftpumpe 8 und bei Luftkontakt des Feuchtigkeitssensors 10 das Ablassventil 9 aktiviert wird. Die Fotovoltaikanlage befindet sich somit während des Betriebs in einem dynamischen Gleichgewicht, wobei der Feuchtigkeitssensor 10 sich stets im Bereich der Wasseroberfläche 4 bewegt und das Fotovoltaikelement 2 unmittelbar unterhalb der Wasseroberfläche 4 liegt.
Das Fotovoltaikelement 2 der Fotovoltaikanlage nach der 3 besitzt am gesamten Seitenumfang den Fotovoltaikelement-Rahmen 11; der Schwimmkörper 1 befindet sich innerhalb dieses Fotovoltaikelement-Rahmens 11 und weist folglich eine geringere laterale Ausdehnung als das Fotovoltaikelement 2 auf.
Bezugszeichenliste

1: Schwimmkörper
1.1: Deckplatte
1.2: Bodenplatte
1.3: Dünnblechstruktur
2: Fotovoltaikelement
3: elektrischer Leiter
4: Wasseroberfläche
5: Sonnenstrahlung
6: Steuerungs- und Regelungseinheit
7: Auftriebselement
8: Luftpumpe
9: Ablassventil
10: Feuchtigkeitssensor
11: Fotovoltaikelement-Rahmen

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

US 5505788 A [0003, 0003]
US 3600257 A [0003]
DE 3619327 A1 [0004]

Claims

Schwimmfähige Fotovoltaikanlage zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend einen Schwimmkörper (1) und ein oder mehrere am Schwimmkörper (1) thermisch kontaktierend angebrachte Fotovoltaikelemente (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper (1) aus einem metallischen Werkstoff besteht und einen wasserdichten Sandwichaufbau mit einer Deckplatte (1.1), einer Bodenplatte (1.2) und einer zwischen diesen beiden angeordneten Dünnblechstruktur (1.3) aufweist, wobei ein oder mehrere abgeschlossene Hohlräume im Inneren des Sandwichaufbaus ausgebildet sind.
Schwimmfähige Fotovoltaikanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnblechstruktur (1.3) eine Wabenstruktur, eine Wellblechstruktur, eine Faltwabenstruktur und/oder ein geschlossenporiger Metallschaum ist.
Schwimmfähige Fotovoltaikanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnblechstruktur (1.3) eine Wabenstruktur aus prismenförmigen Waben mit sechseckiger Grundfläche ist.
Schwimmfähige Fotovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume evakuiert sind.
Schwimmfähige Fotovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume mit Inertgas gefüllt sind.
Schwimmfähige Fotovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatte (1.1), die Bodenplatte (1.2) und die Dünnblechstruktur (1.3) des Schwimmkörpers (1) aus einer Aluminiumlegierung bestehen.
Schwimmfähige Fotovoltaikanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Außenoberfläche des Schwimmkörpers (1) elektrolytisch oxidiert ist.
Schwimmfähige Fotovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatte (1.1), die Bodenplatte (1.2) und die Dünnblechstruktur (1.3) des Schwimmkörpers (1) aus einer Titanlegierung bestehen.
Schwimmfähige Fotovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Schwimmkörper (1) ein oder mehrere luftgefüllte Auftriebselemente (7) aus flexiblem Material angebracht sind, wobei das Volumen der Auftriebselemente (7) durch Luftbefüllung mittels einer elektrisch angetriebenen Luftpumpe (8) vergrößerbar und durch Luftentnahme mittels eines steuerbaren Ablassventils (9) verkleinerbar ist.
Schwimmfähige Fotovoltaikanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass neben einem der Fotovoltaikelemente (2) ein Feuchtigkeitssensor (10) angebracht ist, wobei eine Steuer- und Regelungseinheit (5) der Fotovoltaikanlage durch Kopplung mit der Luftpumpe (8) und mit dem Ablassventil (9) dazu ausgebildet ist, die Luftbefüllung der Auftriebselemente (7) derart zu regulieren, dass sich der Feuchtigkeitssensor (10) im schwimmenden Zustand der Fotovoltaikanlage stets im Bereich der Wasseroberfläche (4) befindet.
Schwimmfähige Fotovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fotovoltaikelement (2) von einem Fotovoltaikelement-Rahmen (11) am gesamten Seitenumfang umschlossen ist, und der Schwimmkörper (1) das Fotovoltaikelement (2) ausschließlich innerhalb der vom Fotovoltaikelement-Rahmen (11) begrenzten Fläche des Fotovoltaikelement (2) kontaktiert.