EP2041800A2 - Solarmodul - Google Patents

Solarmodul

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Publication number
EP2041800A2
EP2041800A2 EP07763729A EP07763729A EP2041800A2 EP 2041800 A2 EP2041800 A2 EP 2041800A2 EP 07763729 A EP07763729 A EP 07763729A EP 07763729 A EP07763729 A EP 07763729A EP 2041800 A2 EP2041800 A2 EP 2041800A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
solar module
profile
solar
carrier layer
photovoltaic element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07763729A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Peter Bierbaumer
Peter Huber
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Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP2041800A2 publication Critical patent/EP2041800A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/40—Thermal components
    • H02S40/44—Means to utilise heat energy, e.g. hybrid systems producing warm water and electricity at the same time
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/052—Cooling means directly associated or integrated with the PV cell, e.g. integrated Peltier elements for active cooling or heat sinks directly associated with the PV cells
    • H01L31/0521—Cooling means directly associated or integrated with the PV cell, e.g. integrated Peltier elements for active cooling or heat sinks directly associated with the PV cells using a gaseous or a liquid coolant, e.g. air flow ventilation, water circulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • F28F1/022—Tubular elements of cross-section which is non-circular with multiple channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F2013/005—Thermal joints
    • F28F2013/006—Heat conductive materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/60—Thermal-PV hybrids

Definitions

  • the invention relates to a solar module with at least one photovoltaic element for generating electricity and at least one profile with at least one arranged in its interior ren channel, which is intended to be flowed through by a fluid, in particular a heat transfer medium, as well as on a so formed solar unit.
  • Solar modules with photovoltaic elements for converting solar energy into electrical energy have a relatively low efficiency.
  • the spectrum of sunlight mainly produces thermal energy, which heats the solar modules
  • the efficiency of photovoltaic elements decreases with increasing temperature. It is known to cool photovoltaic elements by means of a flowing fluid and to use the dissipated heat targeted, for example, for heating rooms or for the preparation of hot water.
  • the electrical efficiency of the photovoltaic elements is increased by their cooling, on the other hand, the overall efficiency of the solar modules is further improved by the use of thermal energy. Examples of such devices are shown in EP 0 971 419 A and DE 199 14 079 A.
  • photovoltaic elements are connected to a profile which in its interior has flow channels for a heat transfer fluid, wherein the profile is preferably made of glass, since glass has a comparable thermal expansion as the photovoltaic element.
  • the photovoltaic elements usually show a significantly lower thermal expansion, so that materials must be combined that have at least partially opposite properties.
  • the present invention has for its object to propose a solar module in which the photovoltaic elements are protected from overloading by thermal expansion and also has a good overall efficiency.
  • This object of the invention is achieved in that between the photovoltaic element and the profile a carrier layer is arranged.
  • the carrier layer can prevent the direct influence of the change in length of the profile due to the temperature increase on the photovoltaic element (s), since the carrier layer can act as a "buffer", so that the photovoltaic (s) may act as a buffer ) Element (s) is (are) better protected.
  • the carrier layer has a thermal conductivity which lies between that of the photovoltaic element and the profile, as a result of which any mechanical stresses which may occur in the solar module can be better controlled.
  • the carrier layer may be formed by a carbon fiber layer or carbon fiber composite layer. Due to the very low thermal expansion coefficient of the carbon fiber layer, the transmission of tensile forces from the profile to the fracture-risk photovoltaic elements is avoided. Due to the very good heat conduction properties of the carbon fiber layer, the heat transport from the photovoltaic elements to the heat transfer fluid-carrying profile and thus the cooling of the photovoltaic elements are promoted. Finally, due to its black color, the carbon fiber layer absorbs a large part of the part of the spectrum of the sunlight penetrating the photovoltaic elements and conducts the resulting heat to the profile, which further improves the thermal efficiency of the solar module.
  • the carrier layer can also be formed by other materials, in particular composite materials, for example by ceramic layers, in particular fiber-reinforced.
  • the carrier layer may be reinforced by SiC, Al 2 O 3 , layers having a matrix of carbon or SiC or Al 2 O 3 reinforced with fibers of SiC or Al 2 O 3 such as C / SiC or SiC / SiC or Al 2 O 3 / Al 2 O 3 , wherein the first material forms the matrix and the second material forms the fibers, be formed.
  • the fibers may also have a coating, eg with BN or C, in order to improve their sliding properties and thus to prevent the risk of breakage of ceramic carrier layers.
  • the carbon fiber composite layer may be made of a mat of carbon fiber into which at least one thermoplastic resin has been woven, which liquefies upon heating and thus at least partially embeds the carbon fibers to form a continuous layer.
  • at least one thermoplastic resin has been woven, which liquefies upon heating and thus at least partially embeds the carbon fibers to form a continuous layer.
  • several of these layers can be superimposed and connected to a resin in a press at about 180 ° C. It is thus a lighter yet stable material as a carrier layer available.
  • the carbon fiber layer may be a fabric.
  • a fabric made of carbon fibers is mechanically very resistant and easy to assemble.
  • Another advantage is an embodiment in which the carbon fiber layer is a nonwoven.
  • a fleece made of carbon fibers is well suited to bridging unevenness, for example of the profile.
  • the carrier layer is connected to the profile and / or the photovoltaic element by means of an adhesive or is formed by it, it is possible to obtain a very compact and lightweight solar module, which also cost-effective can be produced because brackets, frames and the like fasteners for holding together the photovoltaic elements and the profile accounts.
  • ceramic adhesive in which the resin-based adhesive contains ceramic fillers, which promote the heat transport from the photovoltaic elements to the profile and reinforce the adhesive.
  • a ceramic filler can be Al 2 O 3 or TiO 2 , but filling with carbon particles, eg graphite particles, is also possible.
  • the adhesive can have permanently elastic or permanently plastic properties, ie it does not harden hard, as a result of which the photovoltaic elements are "floating" on the profile and are therefore subjected to only minimal mechanical stress due to thermal expansion Have silicone.
  • the photovoltaic element is preferably designed as a so-called wafer. This can be formed by a monocrystalline as well as a polycrystalline or amorphous semiconductor, it should be noted that the latter have lower efficiencies, but are much cheaper. Wafer technology provides a very lightweight solar module that can be manufactured in different sizes without major expense, with the pitch depending on the size of the wafers. The thickness of these wafers can be between 150 ⁇ m and 330 ⁇ m.
  • the sun-facing surface of the wafer may be coated with an antireflective layer, e.g. made of silicon nitride, be coated so as to further increase the efficiency of the solar module.
  • an antireflective layer e.g. made of silicon nitride
  • recesses in particular holes, can be arranged in order to electrically contact the wafer or wafers.
  • these recesses are filled with a resin. It is thus the durability of the contacts, i. the solder joints improved.
  • the contacting of the wafers can also take place in accordance with the state of the art, for example via aluminum and / or silver contacts, preferably aluminum on the rear side facing the profile and silver, for example in the form of narrow fingers, as far as possible around the irradiation surface large, is placed on the front of the wafer.
  • the contacts may also protrude at least partially into the wafer, ie be recessed therein, which in turn results in a larger remaining irradiation area.
  • the photovoltaic element ie the semiconductor
  • the profile may be made of metal, whereby a good heat transfer from the photovoltaic elements is achieved to a present in the profile heat transfer fluid.
  • the metal is aluminum or an alloy of aluminum, which is known to have a high thermal conductivity. Copper or other metals, as well as their alloys gene, with high thermal conductivity but are also usable.
  • the profile can be produced by the extrusion process.
  • solar modules of virtually any length can be produced in a very simple manner without interruptions of the fluid-carrying channels.
  • the ratio of the height of the profile to its width may be in the range of 1:15 to 1:25, or more preferably in the range of 1:18 to 1:22.
  • Such solar modules are very suitable as roof or facade elements.
  • the profile of the solar module can also be combined with a heat pump. It can in turn be increased, the efficiency of the solar module, since the usually existing safety shutdown of the hot water collector, for example, if the buffer is at its maximum temperature, due to constant cooling up to a temperature of about 70 ° C to 80 ° C does not trigger, causing the photovoltaic elements would perform poorly due to lack of cooling.
  • the heat pump can be operated with process reversal, so it cools. In winter, it is possible to provide additional heat, e.g., heat, through this heat pump in normal process known from the prior art. for the heating, to generate. It is also possible to automatically control the switching of the process in the heat pump, e.g. thermostatic switch. If required, the heat pump can be powered by the photovoltaic elements, so that the system is self-sufficient.
  • the entire solar module or related equipment, such as converters, etc., as is known from solar technology can be automated.
  • the object of the invention is also achieved by the fact that several solar modules are connected to a solar unit.
  • the resulting advantages are that such a unit has a low profile, a low weight and a good overall efficiency.
  • such a unit can be easily adapted in their length and width to the space available.
  • FIG. 1 shows a cross section through a first embodiment of the solar element.
  • FIG. 2 shows a cross section through a second embodiment of the solar element.
  • FIG 3 shows a cross section through a third embodiment of the solar element.
  • FIG 4 shows a cross section through a fourth embodiment of the solar element.
  • Fig. 5 is a plan view of a first combination variant
  • Fig. 6 is a plan view of a second combination variant.
  • FIGS. 1 to 4 1 denotes a solar module which consists of a profile 2 and at least one photovoltaic element 4 arranged on the profile 2.
  • the profile 3 is preferably made of metal, in particular of an aluminum alloy and has in its interior at least one channel 3, preferably a plurality of mutually parallel channels 3, which are intended to be flowed through by a heat transfer fluid.
  • the profile 2 preferably has a width in a range of 45 to 175 mm and a height in a range of 3 to 7 mm. It can be produced, for example, by the extrusion process and therefore basically manufactured in almost any length.
  • all known types are suitable as photovoltaic element 4, both those with polycrystalline semiconductors and those with monocrystalline semiconductors, such as, for example, silicon, germanium, semiconducting alloys, etc. Silicon wafers are preferably used.
  • the semiconductors have so-called pn junctions in a manner known per se. Since this has already been described in detail in the prior art, the expert in this regard is referred to the relevant literature.
  • the profile (2) i. the hollow profile, which is preferably used - there are also conventional piping etc. possible -, has a front wall, a rear wall and two side walls.
  • the front wall and the rear wall may be planar and at least approximately parallel to each other.
  • the two side walls are at least approximately parallel to each other and planar.
  • connection for an inlet and a drain for the fluid, in particular the heat transfer medium can be provided in the two side walls.
  • the inlet and the outlet can be arranged in only one of the side walls or it is also possible to arrange this inlet and / or outlet in the front wall and / or rear wall as needed.
  • the profile 2 can be equipped with only one channel 3, in which the heat transfer medium flows through this, thereby absorbing the heat which arises due to the sun's radiation.
  • the profile 2 is preferably formed of metal with high thermal conductivity, in particular it consists of aluminum or an aluminum alloy.
  • the hollow profile can thus very be slightly configured, for example, have a weight selected from a range with a lower limit of 0.5 kg / m and an upper limit of 0.75 kg / m, for example, the weight can be 0.66 kg / m.
  • the profile 2 can also have a fast response, so that after a short time, a correspondingly large amount of heat has been transferred.
  • the clear width of the channel 3 may be selected from a range with a lower limit of 1 mm and an upper limit of 5 mm. It is thus achieved a very small flow cross section for the heat transfer medium, so that it can absorb the heat evenly from the surrounding the channel 3 front wall, the rear wall and the side walls.
  • this hollow profile is produced by extrusion of aluminum or an aluminum alloy.
  • This has the advantage that it can produce a profile with very thin walls, which in turn allows better heat transfer from the profile to the heat transfer medium.
  • the front wall and / or rear wall and / or the two side walls have a wall thickness which is selected from a range with a lower limit of 0.5 mm and an upper limit of 1.5 mm.
  • the hollow profile should be self-supporting, so should have a certain strength, a reduction in wall thickness below 0.5 mm is not provided. If, however, the strength of the hollow profile is not required to this extent, for example, if around the hollow profile a kind of cage, for example in the form of a grid, constructed, which takes on the one by the strength by the carrying function and on the other hand, the hollow profile against external shock and thus protects it from deformation, can of course be within the meaning of the invention, the wall thickness less than 0.5 mm.
  • this distance is further reduced, in particular assumes a value from a range with a lower Limit of 2 mm and an upper limit of 4 mm.
  • this distance between the front wall and the rear wall can be 3 mm.
  • the minimum distance is 1 mm. Below lying distances, ie clear widths of the profile 2, however, can be used when the pump power for the Kreislauftuhrung of the heat carrier is correspondingly high.
  • the channel 3 of the profile 2 is divided into a plurality of individual channels, so that therefore at least two channels 3 are present in the profile 2. This is achieved by running between the side walls in the direction of these side walls and connecting the front wall with the rear wall at least one web. Preferably, this web is also produced simultaneously with the profile 2 by extrusion. Since the at least one web has only a limited support function, it is possible to carry out this with a smaller wall thickness, which may be selected from a range with a lower limit of 0.35 mm and an upper limit of 1 mm. Preferably, this wall thickness is selected from a range with a lower limit of 0.4 mm and an upper limit of 0.8 mm or this wall thickness can be 0.5 mm.
  • a first channel 3 is used for the upward flow of the heat transfer medium and another channel 3 for the downward flow of the heat transfer medium. This extends the flow path of the heat transfer medium in the profile 2 and is thus available for a longer period of time for heat exchange.
  • the webs 12 increase the heat transfer surfaces and thus improve the efficiency. This also makes it possible to give the hollow profile a higher compressive strength.
  • the two side walls need not be flat, but may for example also have a curvature.
  • the front wall and / or the Rear wall have such a curvature, so that, for example, the maximum distance of 5 mm between the front wall and the rear wall is achieved only in the central region of the profile 2 and in the two side regions then to the two side walls, the channels 3 have smaller clearances.
  • the hollow profile may have a width selected from a range with a lower limit of 40 mm and an upper limit of 400 mm. This makes it possible to provide a plurality of channels 3 in the hollow profile in order to be able to specify a corresponding flow path of the heat transfer medium in the hollow profile.
  • this width may be further selected from a range having a lower limit of 80 mm and an upper limit of 250 mm and 100 mm, respectively.
  • only one channel 3 can be formed in the hollow profile.
  • the adjacent channels 3 cover virtually the entire hollow profile surface. This is a very high efficiency to achieve.
  • the width of the Channels 3 so the lateral distance between the webs is selected, from a range with a lower limit of 1.5 mm and an upper limit of 3.5 mm.
  • An improved efficiency can be achieved by means of this cross-sectional boundary, in which the ratio of the cross-sectional area of the channel 3 relative to the heat-transferring surface over the front wall, the rear wall or the two side walls or the webs can be set appropriately low.
  • the width of the channels 3 from a range with a lower limit of 2 mm and an upper limit of 3 mm or the width of the channels 3 on the order of 2.2 mm choose.
  • the cross section of the channels 3 can be chosen arbitrarily, that is, for example, rectangular, square, round, trapezoidal, rhomboid, diamond-shaped or triangular.
  • a carrier layer in particular a carbon fiber layer 5 is arranged between the profile 2 and the photovoltaic elements.
  • Carbon fibers also called carbon fibers, are characterized by a very low thermal expansion, high mechanical strength and good thermal conductivity.
  • the profile 2, the carbon fiber layer 5 and the photovoltaic elements 4 are preferably connected to each other by an adhesive.
  • This preferably has ceramic fillers to improve its thermal conductivity and is composed so that it remains permanently elastic even after binding at least in a certain range. Consequently the photovoltaic elements 4 are "floating" on the profile, wherein the carbon fiber layer 5 absorbs any mechanical stresses that may occur and further wherein the carbon fiber layer 5 and the adhesive used, the good result of solar radiation in the photovoltaic elements 4 heat to the profile 2, where it is discharged through the circulating in the channels 3 heat transfer fluid.
  • Figures 1 to 4 differ only by the structural design of the profile 2. While the profile 2 according to FIG. 1 has smooth surfaces, the profiles 2 according to Figures 2 to 4 longitudinal ribs 6 and 7 respectively. These longitudinal ribs 6 and 7 increase the area moment of inertia of the profile 2 and give it an increased bending and torsional rigidity. In the exemplary embodiments according to FIGS. 2 to 4, longitudinal ribs 6 and 7 are respectively provided on the surface of the solar module 1 remote from the photovoltaic elements 4. In addition to the mentioned effect of the stiffening of the profile 2, the surface of the profile 2 is increased by the longitudinal ribs 6 and 7, whereby the heat transfer to the environment is increased.
  • solar modules 1 according to the invention are part of a ventilated construction, for example a roof or a façade of a building, and it is desired that heat is released from the solar module 1 to the surrounding air.
  • a longitudinal rib 6 is arranged in each case in the region of the dividing wall between two channels 3, while in the exemplary embodiment according to FIG.
  • Longitudinal rib 7 is arranged in the middle of a channel 3.
  • 4 shows an exemplary embodiment of a solar module 1 with a profile 2 with longitudinal ribs 6 arranged on both opposite surfaces.
  • FIGS. 5 and 6 show how several solar modules 2 can be combined to form one unit.
  • the profiles 2 of three solar modules 1 are connected to one another such that the heat transfer fluid flows through the three profiles 2 in succession.
  • the arrows 11 indicate the direction in which the heat transfer fluid flows into and out of the unit.
  • a first type of coupling element 8 serves both for introducing the heat transfer fluid into the unit and for deriving therefrom.
  • For passing the heat transfer fluid from a profile 2 to the adjacent profile 2 connecting elements 9 are provided.
  • the profiles 2 of three solar modules 1 are connected to one another in such a way that the heat transfer fluid passes through the three profiles 2 in parallel. flows.
  • coupling elements 10 are provided, whose length corresponds to the sum of the width of the three profiles 2.
  • the coupling elements 8, 10 and connecting elements 11 are shown only schematically in FIGS. 5 and 6. They can be designed so that they can be placed sealingly on the ends of the profiles 2 and thus allow a flow connection between the channels 3 of the corresponding profiles 2.
  • the coupling elements 8, 10 and connecting elements 11 can also take over the task of mechanically connecting side by side arranged solar modules 1 together.
  • the individual solar modules 1 can alternatively or additionally be mounted on a base, for example a plate or a grate.
  • the coupling elements 8, 10 and connecting elements 11 can also take over the task of electrically connecting the solar modules 1 arranged next to one another. For this they can be equipped with conductors and connectors, not shown.
  • the mentioned heat transfer fluid may be a gas or preferably a liquid, for example water, in particular containing a glycol, as is known from the prior art.
  • the fluid can be circulated and deliver the heat absorbed in the solar modules 1 to a storage, which may be provided for example for the domestic hot water supply.
  • the solar module (s) 1 is / are tracked to the respective position of the sun with corresponding motors, in particular electric motors.

Abstract

Ein Solarmodul (1) enthält mindestens ein photovoltaisches Element (4) und ein Profil (2) mit mindestens einem in seinem Inneren angeordneten Kanal (3). Der Kanal (3) ist dazu bestimmt, von einem Wärmeträgermedium durchflössen zu werden, um Wärme aus dem photovoltaischen Element (4) abzuführen und so einer unerwünschten Reduktion des elektrischen Wirkungsgrads entgegen zu wirken. Um mechanische Überbelastungen des photovol- taischen Elements (4) in Folge unterschiedlicher Wärmedehnungen des Elements (4) und des Profils (2) zu verhindern, ist zwischen dem photovoltaischen Element (4) und dem Profil (2) eine Trägerschicht angeordnet.

Description

Solarmodul
Die Erfindung bezieht sich auf ein Solarmodul mit zumindest einem photovoltaischen Element zur Stromerzeugung und zumindest einem Profil mit mindestens einem in seinem Inne- ren angeordneten Kanal, der dazu bestimmt ist, von einem Fluid, insbesondere einem Wärmeträgermedium, durchflössen zu werden, sowie auf eine damit gebildete Solareinheit.
Solarmodule mit photovoltaischen Elementen zum Umwandeln von Solarenergie in elektrische Energie haben einen relativ geringen Wirkungsgrad. Einerseits produziert das Spektrum des Sonnenlichts vorwiegend thermische Energie, welche die Solarmodule aufheizt, andererseits ist es bekannt, dass der Wirkungsgrad photovoltaischer Elemente mit steigender Temperatur sinkt. Es ist bekannt, photovoltaische Elemente mittels eines strömenden Fluids abzukühlen und die abgeführte Wärme gezielt zu nutzen, beispielsweise zum Heizen von Räumen oder für die Bereitung von Warmwasser. Dadurch wird einerseits der elektrische Wirkungs- grad der photovoltaischen Elemente durch deren Kühlung erhöht, andererseits wird der Gesamtwirkungsgrad der Solarmodule durch die Nutzung der thermischen Energie weiter verbessert. Beispiele solcher Einrichtungen sind in der EP 0 971 419 A und der DE 199 14 079 A gezeigt.
Bei der genannten Vorrichtung gemäß EP 0 971 419 A sind photovoltaische Elemente mit einem Profil verbunden, das in seinem Inneren Strömungskanäle für ein Wärmeträgerfluid aufweist, wobei das Profil vorzugsweise aus Glas besteht, da Glas eine vergleichbare Wärmedehnung aufweist wie das photovoltaische Element.
Will man photovoltaische Elemente mit einem aus Metall bestehenden Profil kombinieren, besteht ein erhebliches Problem darin, dass die bruchempfindlichen photovoltaischen Elemente auf Grund der unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten der Elemente und des Metalls bei der Erwärmung der Module in Folge der unterschiedlichen Längenänderungen zum Brechen neigen. Für das Metallprofil ist prinzipiell eine hohe Wärmeleitfähigkeit erwün- seht, da damit die Energieausbeute steigt. Damit einher geht aber auch eine entsprechende
Wärmedehnung. Die photovoltaischen Elemente zeigen normalerweise eine bedeutend geringere Wärmedehnung, sodass also Werkstoffe kombiniert werden müssen, die zumindest teilweise zueinander konträre Eigenschaften haben. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Solarmodul vorzuschlagen, bei dem die photovoltaischen Elemente vor Überbelastung durch Wärmdehnung geschützt sind und das zudem einen guten Gesamtwirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen dem photovoltaischen Element und dem Profil eine Trägerschicht angeordnet ist. Mit der Trägerschicht kann der direkte Einfluss der Längenänderung des Profils aufgrund der Temperaturerhöhung auf das bzw. die photovoltaische(n) Element(e) verhindert werden, da die Träger- Schicht als „Puffer" wirken kann, sodass das bzw. die photovoltaische(n) Element(e) besser geschützt ist (sind).
Nach einer Ausführungsvariante weist die Trägerschicht eine Wärmeleitfähigkeit auf, die zwischen jener des photovoltaischen Elements und des Profils liegt, wodurch eventuell auf- tretende mechanische Spannungen im Solarmodul besser beherrschbar sind.
Die Trägerschicht kann durch eine Kohlefaserschicht oder Kohlefaserverbundwerkstoffschicht gebildet sein. Durch den sehr geringen Wärmedehnungskoeffizienten der Kohlefaserschicht wird die Übertragung von Dehnkräften vom Profil auf die bruchgefährdeten photo- voltaischen Elemente vermieden. Durch die sehr guten Wärmeleiteigenschaften der Kohlefaserschicht werden der Wärmetransport von den photovoltaischen Elementen zum Wärme- trägerfluid führenden Profil und so die Kühlung der photovoltaischen Elemente begünstigt. Schließlich absorbiert die Kohlefaserschicht auf Grund ihrer schwarzen Farbe einen großen Teil des die photovoltaischen Elemente durchdringenden Teils des Spektrums des Sonnen- lichts und leitet die entstehende Wärme an das Profil ab, was den thermischen Wirkungsgrad des Solarmoduls weiter verbessert.
Die Trägerschicht kann aber auch durch andere Werkstoffe, insbesondere Verbundwerkstoffe, gebildet sein, beispielsweise durch keramische Schichten, insbesondere faserverstärkte. Z.B. kann die Trägerschicht durch SiC, Al2O3, Schichten mit einer Matrix aus Kohlenstoff oder SiC oder Al2O3 verstärkt mit Fasern aus SiC oder A12O3, wie z.B. C/SiC oder SiC/SiC oder Al2O3/ Al2O3, wobei der erste Werkstoff die Matrix bildet und der jeweils zweite Werkstoff die Fasern bildet, gebildet sein. Die Fasern können auch eine Beschichtung aufweisen, z.B. mit BN oder C, um deren Gleiteigenschaften zu verbessern, und damit einer Bruchgefahr von keramischen Trägerschichten vorzubeugen.
Der Kohlefaserverbundwerkstoffschicht kann aus einer Matte aus Kohlefaser hergestellt sein, in die zumindest ein thermoplastischer Kunststoff eingewoben wurde, der sich bei Erwärmung verflüssigt und so die Kohlefasern zumindest teilweise einbettet, sodass eine durchgehende Schicht entsteht. Gegebenenfalls können mehrere dieser Schichten übereinander gelegt und mit einem Harz in einer Presse bei ca. 180 °C verbunden werden. Es steht damit ein leichter und dennoch stabiler Werkstoff als Trägerschicht zur Verfügung.
Die Kohlefaserschicht kann ein Gewebe sein. Ein Gewebe aus Kohlefasern ist mechanisch sehr widerstandsfähig und einfach zu konfektionieren.
Vorteilhaft ist weiters eine Ausbildung, bei der die Kohlefaserschicht ein Vlies ist. Ein Vlies aus Kohlefasern ist gut geeignet, Unebenheiten, beispielsweise des Profils, zu überbrücken.
Durch weitere Varianten der Erfindung, bei der die Trägerschicht mit dem Profil und/oder mit dem photovo Itaischen Element durch einen Klebstoff verbunden ist oder durch diesen gebildet ist, ist es möglich, ein sehr kompaktes und leichtes Solarmodul zu erhalten, das zudem kos- tengünstig produziert werden kann, weil Klammern, Rahmen und dergleichen Befestigungselemente für das Zusammenhalten der photovoltaischen Elemente und des Profils entfallen.
Es kann ein sog. „keramischer Kleber" verwendet werden, bei dem der harzbasierte Klebstoff keramische Füllstoffe enthält. Letztere begünstigen den Wärmetransport von den photovol- taischen Elementen zum Profil und verstärken den Klebstoff. Als keramische. Füllstoff kann z.B. Al2O3 oder TiO2 verwendet werden. Es ist aber auch die Füllung mit Kohlenstoffpartikeln, z.B. Graphitpartikeln, möglich.
Der Klebstoff kann nach dem Abbinden dauerelastische bzw. dauerplastische Eigenschaften aufweist, also nicht hart aushärtend abbinden, wodurch die photovoltaischen Elemente auf dem Profil sozusagen „schwimmend" gelagert sind und daher durch Wärmedehnung höchstens geringfügig mechanisch beansprucht werden. Der Kleber kann beispielsweise die elastischen Eigenschaften eines Silikons aufweisen. Das photovoltaische Element ist bevorzugt als sog. Wafer ausgebildet. Dieser kann sowohl durch einen monokristallinen als auch durch einen polykristallinen bzw. amorphem Halbleiter gebildet sein, wobei zu beachten ist, dass letztere schlechtere Wirkungsgrade aufweisen, allerdings deutlich günstiger sind. Durch die Wafer-Technologie wird ein sehr leichtes Solar- modul erreicht, dass ohne größere Aufwendungen in unterschiedlichen Größen hergestellt werden kann, wobei die Teilung abhängig ist von der Größe der Wafer. Die Dicke dieser Wafer kann dabei zwischen 150 μm und 330 μm betragen.
Die der Sonne zugewandte Oberfläche des Wafers kann mit einer Antireflexschicht, z.B. aus Siliziumnitrid, überzogen sein, um so den Wirkungsgrad des Solarmoduls weiter zu erhöhen.
In der Trägersicht können Ausnehmungen, insbesondere Löcher angeordnet sein, um den oder die Wafer elektrisch zu kontaktieren. Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante dazu ist es möglich, dass diese Ausnehmungen mit einem Harz ausgegossen sind. Es wird damit die Dauerhaftigkeit der Kontaktierungen, d.h. der Lötstellen verbessert.
Prinzipiell sei erwähnt, dass die Kontaktierungen der Wafer auch dem Stand der Technik entsprechend erfolgen kann, beispielsweise über Aluminium- und/oder Silberkontakte, wobei bevorzugt Aluminium auf der dem Profil zugewandten Rückseite und Silber, beispielsweise in Form von schmalen Fingern, um die Einstrahlfläche möglichst groß zu halten, auf der Vorderseite des Wafers angeordnet wird. Die Kontakte können auch zumindest teilweise in den Wafer hineinragen, also in diesem versenkt sein, wodurch wiederum eine größere verbleibende Einstrahlfläche erhalten wird.
Das photovoltaische Element, also der Halbleiter, kann auf die Trägerschicht aufgedampft sein, beispielsweise mit einem PVD- Verfahren, wodurch eine bessere Haftung und ein einfacherer Aufbau des Solarmoduls erreicht werden kann.
Das Profil kann aus Metall bestehen, wodurch ein guter Wärmetransport von den photovol- taischen Elementen zu einem im Profil vorhandenen Wärmeträgerfluid erreicht wird.
Bevorzugt ist das Metall Aluminium oder eine Legierung aus Aluminium, welches bekanntlich eine hohe Wärmeleitzahl aufweist. Kupfer bzw. andere Metalle, sowie deren Legierun- gen, mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind aber auch verwendbar.
Das Profil kann im Strangpressverfahren hergestellt sein. Dadurch lassen sich in sehr einfacher Weise Solarmodule in nahezu beliebiger Länge ohne Unterbrechungen der fluidführen- den Kanäle anfertigen.
Bevorzugt sind in dem Profil mehrere Kanäle direkt nebeneinander liegend, also nur durch eine Trennwand bzw. einen Steg voneinander getrennt, ausgebildet, wodurch der Wirkungsgrad des Solarmoduls bei gleichzeitig kompakter Bauweise erhöht werden kann.
Das Verhältnis der Höhe des Profils zu dessen Breite kann in einem Bereich von 1 : 15 bis 1:25 bzw. besonders bevorzugt in einem Bereich von 1:18 bis 1:22 liegen. Derartige Solarmodule eignen sich sehr gut als Dach- oder Fassadenelemente.
Weiters ist es möglich, dass auf mindestens einer Oberfläche des Profils Längsrippen angeordnet, wodurch die Steifigkeit des Solarmoduls erhöht wird.
Das Profil des Solarmoduls kann aber auch mit einer Wärmepumpe kombiniert werden. Es kann damit wiederum die Effizienz des Solarmoduls erhöht werden, da die üblicherweise vorhandenen Sicherheitsabschaltung des Warmwasserkollektors, wenn beispielsweise der Pufferspeicher auf seiner Maximaltemperatur ist, aufgrund ständiger Kühlung bis zu einer Temperatur von ca. 70 °C bis 80 °C nicht auslöst, wodurch die photovoltaischen Elemente durch mangelnde Kühlung eine schlechtere Leistung erbringen würden. Die Wärmepumpe kann dabei mit Prozessumkehr betrieben werden, sodass sie also kühlt. Im Winter ist es mög- lieh, über diese Wärmepumpe bei normalem aus dem Stand der Technik bekanntem Verfahrensablauf zusätzliche Wärme, z.B. für die Heizung, zu generieren. Es ist dabei auch eine automatische Regelung der Umschaltung des Prozesses in der Wärmepumpe möglich, z.B. thermostatgesteuert. Die Stromversorgung der Wärmepumpe kann bei Bedarf über die photovoltaischen Elemente erfolgen, sodass also dass System autark ist.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass selbstverständlich das gesamte Solarmodul bzw. damit verbundene Anlagen, wie z.B. Umrichter, etc., wie die aus der Solartechnik bekannt ist, automatisiert sein können. Die Aufgabe der Erfindung wird eigenständig auch dadurch gelöst, dass mehrere Solarmodule zu einer Solareinheit verbunden sind. Die sich daraus ergebenden Vorteile liegen darin, dass eine derartige Einheit eine geringe Bauhöhe, ein geringes Gewicht und einen guten Gesamtwirkungsgrad aufweist. Zudem lässt sich eine solche Einheit sehr einfach in ihrer Länge und Breite an das jeweilige Platzangebot anpassen.
Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen jeweils in schematisch vereinfachter Darstellung:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsart des Solarelements;
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsart des Solarelements;
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsart des Solarelements;
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsart des Solarelements;
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine erste Kombinationsvariante und
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine zweite Kombinationsvariante.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen sind, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. In den Figuren 1 bis 4 ist mit 1 ein Solarmodul bezeichnet, das aus einem Profil 2 und mindestens einem auf dem Profil 2 angeordneten photovoltaischen Element 4 besteht. Das Profil 3 besteht bevorzugt aus Metall, insbesondere aus einer Aluminium-Legierung und weist in seinem Inneren mindestens einen Kanal 3, vorzugsweise mehrere parallel zueinander ange- ordnete Kanäle 3 auf, welche dazu bestimmt sind, von einem Wärmeträgerfluid durchströmt zu werden. Das Profil 2 hat bevorzugt eine Breite in einem Bereich von 45 bis 175 mm und eine Höhe in einem Bereich von 3 bis 7 mm. Es kann beispielsweise im Strangpressverfahren hergestellt und daher prinzipiell fast in beliebigen Längen gefertigt werden. Als photovoltai- sches Element 4 kommen prinzipiell alle bekannten Typen in Frage, sowohl solche mit poly- kristallinen als auch solche mit monokristallinen Halbleitern, wie z.B. Silizium, Germanium, halbleitende Legierungen, etc. Bevorzugt werden Siliziumwafer verwendet. Die Halbleiter weisen in an sich bekannter Weise sog. p-n- Übergänge auf. Da dies bereits ausführlich im Stand der Technik beschrieben ist, sei der Fachmann diesbezüglich an die einschlägige Literatur verwiesen.
Das Profil (2), d.h. das Hohlprofil, welches bevorzugt verwendet wird - es sind auch herkömmliche Rohrleitungen etc. möglich - , weist eine Vorderwand, eine Rückwand sowie zwei Seitenwände auf. Die Vorderwand und die Rückwand können ebenflächig ausgebildet und zumindest annähernd parallel zueinander sein. Ebenso sind die beiden Seitenwände zu- mindest annähernd parallel zueinander und ebenflächig ausgebildet.
In den beiden Seitenwänden kann jeweils ein Anschluss für einen Zulauf sowie einen Ablauf für das Fluid, insbesondere das Wärmeträgermedium, vorgesehen sein. Selbstverständlich können der Zulauf und der Ablauf in nur eine der Seitenwände angeordnet sein bzw. ist es auch möglich, diesen Zulauf und/oder Ablauf in der Vorderwand und/oder Rückwand je nach Bedarf anzuordnen.
Das Profil 2 kann mit lediglich einem Kanal 3 ausgestattet sein, in welchem das Wärmeträgermedium dieses durchströmt und dabei die Wärme, welche aufgrund der Sonneneinstrah- lung entsteht, aufnehmen.
Das Profil 2 ist bevorzugt aus Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet, insbesondere besteht es aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung. Das Hohlprofil kann damit sehr leicht ausgestaltet sein, beispielsweise ein Gewicht aufweisen, das ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,5 kg/m und einer oberen Grenze von 0,75 kg/m, beispielsweise kann das Gewicht 0,66 kg/m betragen.
Durch die Verwendung eines Aluminiumwerkstoffes kann das Profil 2 auch ein schnelles Ansprechverhalten aufweisen, sodass also bereits nach kurzer Zeit eine entsprechend große Wärmemenge übertragen worden ist.
Die lichte Weite des Kanals 3 kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 mm und einer oberen Grenze von 5 mm. Es wird damit ein sehr geringer Strömungsquerschnitt für das Wärmeträgermedium erreicht, sodass dieses die Wärme gleichmäßig von der den Kanal 3 umgebenden Vorderwand, der Rückwand und der Seitenwände aufnehmen kann.
Bevorzugt wird dieses Hohlprofil durch Strangpressen aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung hergestellt. Dies hat den Vorteil, dass sich damit ein Profil mit sehr dünnen Wänden herstellen lässt, wodurch wiederum eine bessere Wärmeübertragung vom Profil auf das Wärmeträgermedium ermöglicht wird. Bevorzugt weisen die Vorderwand und/oder Rückwand und/oder die beiden Seitenwände eine Wandstärke auf, die ausgewählt wird aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,5 mm und einer oberen Grenze von 1,5 mm.
Da das Hohlprofil selbsttragend sein soll, also eine gewisse Festigkeit aufweisen soll, ist eine Verringerung der Wandstärke unter 0,5 mm nicht vorgesehen. Sollte jedoch die Festigkeit des Hohlprofils in diesem Ausmaß nicht erforderlich sein, beispielsweise wenn um das Hohl- profil eine Art Käfig, beispielsweise in Form eines Gitters, aufgebaut ist, der zum einem die Festigkeit durch die Tragefunktion übernimmt und zum anderen das Hohlprofil gegen äußere Schläge und damit Verformung desselben schützt, kann selbstverständlich im Sinne der Erfindung die Wandstärke unter 0,5 mm betragen.
Auch hinsichtlich der lichten Weite des Kanals 3, also des maximalen Abstandes der Vorderwand von der Rückwand des Profils 2, ist eine weitere Verbesserung der Wärmeübertragung dadurch zu erreichen, in dem dieser Abstand weiter verringert wird, insbesondere einen Wert annimmt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 2 mm und einer oberen Grenze von 4 mm. Beispielsweise kann dieser Abstand zwischen der Vorderwand und der Rückwand 3 mm betragen.
Da naturgemäß der Strömungswiderstand für den Wärmeträger bei Verringerung des Abstan- des zwischen der Vorderwand und der Rückwand wächst, ist es bevorzugt, dass der Mindestabstand 1 mm beträgt. Darunter liegende Abstände, also lichte Weiten des Profils 2, können jedoch dann eingesetzt werden, wenn die Pumpleistung für die Kreislauftuhrung des Wärmeträgers entsprechend hoch ist.
Nach einer Ausfuhrungsvariante des Profils 2 ist der Kanal 3 des Profils 2 aufgeteilt in mehrere Einzelkanäle, sodass also im Profil 2 zumindest zwei Kanäle 3 vorhanden sind. Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen den Seitenwänden in Richtung dieser Seitenwände verlaufend und die Vorderwand mit der Rückwand verbindend zumindest ein Steg angeordnet wird. Bevorzugt wird dieser Steg gleichzeitig mit dem Profil 2 ebenfalls durch Strangpressen hergestellt. Da der zumindest eine Steg nur bedingt eine Stützfunktion aufweist, ist es möglich, diesen mit einer geringeren Wandstärke auszuführen, die ausgewählt sein kann aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,35 mm und einer oberen Grenze von 1 mm. Bevorzugt wird diese Wandstärke aus einem Bereich ausgewählt mit einer unteren Grenze von 0,4 mm und einer oberen Grenze von 0,8 mm bzw. kann diese Wandstärke 0,5 mm betragen.
Es ist damit auch möglich, innerhalb nur eines Profils 2 das Wärmeträgermedium schlangen- bzw. mäanderförmig zu leiten, sodass also beispielsweise ein erster Kanal 3 für das Aufwärtsströmen des Wärmeträgermediums und ein weiterer Kanal 3 für das Abwärtsströmen des Wärmeträgermediums verwendet wird. Damit verlängert sich der Strömungsweg des Wärmeträgermediums im Profil 2 und steht damit auch eine größere Zeitspanne für den Wärmeaustausch zur Verfügung.
Die Stege 12 vergrößern die Wärmeübergangsflächen und verbessern damit den Wirkungsgrad. Zu dem wird es damit möglich, dem Hohlprofil eine höhere Druckfestigkeit zu verlei- hen.
Die beiden Seitenwände müssen nicht eben ausgebildet sein, sondern können beispielsweise auch eine Krümmung aufweisen. Ebenso können natürlich auch die Vorderwand und/oder die Rückwand eine derartige Krümmung aufweisen, sodass also beispielsweise der maximale Abstand von 5 mm zwischen der Vorderwand und der Rückwand lediglich im Mittenbereich des Profils 2 erreicht wird und in den beiden Seitenbereichen anschließend an die beiden Seitenwände die Kanäle 3 geringere lichte Weiten aufweisen.
Anstelle einer konvexen Auswölbung des Profils 2 zumindest im Mittenbereich ist es andererseits auch möglich, die Vorderwand und/oder die Rückwand und/oder die beiden Seitenwände konkav verlaufend zu gestalten, sodass also ein Strömungsquerschnitt im Mittenbereich des Profils 2 kleiner ist, als im Strömungsquerschnitt in den beiden Randbereichen.
Das Hohlprofil kann eine Breite aufweisen, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 40 mm und einer oberen Grenze von 400 mm. Dadurch ist es möglich, mehrere Kanäle 3 im Hohlprofil vorzusehen, um damit einen entsprechenden Strömungsverlauf des Wärmeträgermediums im Hohlprofil vorgeben zu können. Diese Breite kann aber weiters ausgewählt sein, aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 80 mm und einer oberen Grenze von 250 mm bzw. 100 mm betragen.
Prinzipiell kann im Hohlprofil lediglich ein Kanal 3 ausgebildet sein. Bevorzugt wird die Anzahl der Kanäle 3, die im Hohlprofil unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, also nur durch die Stege voneinander getrennt sind, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 15 und einer oberen Grenze 40, insbesondere mit einer unteren Grenze von 20 und einer oberen Grenze von 30, bevorzugt werden 24 Kanäle 3 im Hohlprofil angeordnet. Es wird damit möglich, die Wärmeübergangsfläche entsprechend zu variieren bzw. ist damit auch eine Variation der baulichen Abmaße des Solarmoduls 1 zu erreichen.
Die nebeneinander angeordneten Kanäle 3 bedecken praktisch die gesamte Hohlprofilfläche. Damit ist ein sehr hoher Wirkungsgrad zu erzielen.
Gegebenenfalls ist es möglich, durch das Zu- oder Abschalten einzelner Kanäle 3 und/oder einzelner Hohlprofile, beispielsweise indem hierfür Klappen zum Verschließen dieser einzelnen Kanäle 3 und/oder Hohlprofile vorgesehen sind, die Leistung entsprechend zu variieren.
Bei der Ausgestaltung des Profils 2 als Mehrkanalprofil ist es vorteilhaft, wenn die Breite der Kanäle 3, also der seitliche Abstand zwischen den Stegen, ausgewählt wird, aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1,5 mm und einer oberen Grenze von 3,5 mm. Durch diese Querschnittsbegrenzung kann ein verbesserter Wirkungsgrad erreicht werden, in dem nämlich das Verhältnis der Querschnittsfläche des Kanals 3 im Verhältnis zur wärmeübertra- genden Fläche über die Vorderwand, die Rückwand bzw. die beiden Seitenwände bzw. die Stege entsprechend günstig einstellbar ist.
Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades ist es vorteilhaft, die Breite der Kanäle 3 aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 2 mm und einer oberen Grenze von 3 mm aus- zuwählen bzw. die Breite der Kanäle 3 in der Größenordnung von 2,2 mm zu wählen.
Prinzipiell kann der Querschnitt der Kanäle 3 beliebig gewählt werden, also beispielsweise rechteckig, quadratisch, rund, trapezförmig, rhomboid, rautenförmig oder dreieckig.
Im Solarmodul 1 können mehrere Profile 2 angeordnet sein.
Da die bekannten, Silizium und vielfach Glas-Substrate enthaltenden photovoltaischen Elemente 4 einen geringeren Wärmedehnungskoeffizienten und einen höheren Elastizitätsmodul aufweisen als das vorzugsweise aus Metall bestehende Profil 2, stellt die direkte Verbindung der photovoltaischen Elemente 4 mit dem Profil 2 ein Problem dar bzw. ist nur mit erhöhtem Aufwand lösbar. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Profil 2 und den photovoltaischen Elementen eine Trägerschicht, insbesondere eine Kohlefaserschicht 5, angeordnet. Kohlefasern, auch Karbonfasern genannt, zeichnen sich durch eine sehr geringe Wärmedehnung, eine hohe mechanische Festigkeit und eine gute Wärmleitfähigkeit aus. Durch diese Kohlefaserschicht 5 werden bei Erwärmung und Abkühlung des Solarmoduls 1 die unterschiedlichen Dehnungen der photovoltaischen Elemente 4 und des Profils 2 ausgeglichen, so dass es zu keiner Überbeanspruchung der photovoltaischen Elemente 4 kommen kann, wodurch diese brechen könnten. Die Kohlefaserschicht 5 kann wie oben beschrieben ausgebildet sein.
Das Profil 2, die Kohlefaserschicht 5 und die photovoltaischen Elemente 4 werden bevorzugt durch einen Klebstoff miteinander verbunden. Dieser weist vorzugsweise keramische Füllstoffe auf, um seine Wärmeleitfähigkeit zu verbessern und ist so zusammengesetzt, dass er auch nach dem Binden zumindest in einem gewissen Bereich dauerelastisch bleibt. Somit sind die photovoltaischen Elemente 4 auf dem Profil "schwimmend gelagert", wobei die Kohlefaserschicht 5 gegebenenfalls auftretende mechanische Spannungen aufnimmt und wobei ferner die Kohlefaserschicht 5 und der verwendete Klebstoff die durch Sonneneinstrahlung in den photovoltaischen Elementen 4 entstehende Wärme gut an das Profil 2 leiten, wo sie durch das in den Kanälen 3 zirkulierende Wärmeträgerfluid abgeführt wird.
Die Ausführungsarten nach den Figuren 1 bis 4 unterscheiden sich nur durch die konstruktive Gestaltung des Profils 2. Während das Profil 2 gemäß Fig. 1 glatte Oberflächen hat, weisen die Profile 2 gemäß den Figuren 2 bis 4 Längsrippen 6 beziehungsweise 7 auf. Diese Längs- rippen 6 bzw. 7 erhöhen das Flächenträgheitsmoment des Profils 2 und verleihen ihm eine erhöhte Biege- und Verwindungssteifigkeit. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 2 bis 4 sind jeweils auf der den photovoltaischen Elementen 4 abgewandten Fläche des Solarmoduls 1 Längsrippen 6 bzw. 7 vorhanden. Zusätzlich zum erwähnten Effekt der Versteifung des Profils 2 wird durch die Längsrippen 6 bzw. 7 die Oberfläche des Profils 2 erhöht, wo- durch der Wärmeübergang zur Umgebung erhöht wird. Dies kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn erfϊndungsgemäße Solarmodule 1 Teil einer hinterlüfteten Konstruktion sind, beispielsweise eines Daches oder einer Fassade eines Gebäudes, und es erwünscht ist, dass Wärme aus dem Solarmodul 1 an die umgebende Luft abgegeben wird. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist jeweils eine Längsrippe 6 im Bereich der Trennwand zwischen zwei Kanälen 3 angeordnet, während beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 jeweils eine
Längsrippe 7 in der Mitte eines Kanals 3 angeordnet ist. Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Solarmoduls 1 mit einem Profil 2 mit auf beiden gegenüberliegenden Oberflächen angeordneten Längsrippen 6.
Die Figuren 5 und 6 zeigen, wie mehrere Solarmodule 2 zu einer Einheit zusammengefasst werden können. Im Beispiel gemäß Fig. 5 sind die Profile 2 dreier Solarmodule 1 derart miteinander verbunden, dass das Wärmeträgerfluid die drei Profile 2 nacheinander durchströmt. Die Pfeile 11 geben dabei die Richtung an, in der das Wärmeträgerfluid in die Einheit hinein und aus dieser heraus strömt. Eine erste Art von Kupplungselement 8 dient dabei sowohl zum Einleiten des Wärmeträgerfluids in die Einheit als auch zum Ableiten aus diesem. Zum Überleiten des Wärmeträgerfluids von einem Profil 2 zum benachbarten Profil 2 sind Verbindungselemente 9 vorgesehen. Im Beispiel gemäß Fig. 6 sind die Profile 2 dreier Solarmodule 1 derart miteinander verbunden, dass das Wärmeträgerfluid die drei Profile 2 parallel durch- strömt. Dazu sind Kupplungselemente 10 vorgesehen, deren Länge der Summe der Breite der drei Profile 2 entspricht. Selbstverständlich können auch weniger oder mehr als drei Solarmodule 1 auf die dargestellte und beschriebene Weise miteinander verbunden werden. Die Kupplungselemente 8, 10 und Verbindungselemente 11 sind in den Figuren 5 und 6 nur schematisch dargestellt. Sie können so ausgestaltet sein, dass sie dichtend auf die Enden der Profile 2 aufgesetzt werden können und so eine strömungsmässige Verbindung zwischen den Kanälen 3 der entsprechenden Profile 2 ermöglichen. Zusätzlich können die Kupplungselemente 8, 10 und Verbindungselemente 11 auch die Aufgabe übernehmen, nebeneinander angeordnete Solarmodule 1 mechanisch miteinander zu verbinden. Die einzelnen Solarmodule 1 können alternativ oder zusätzlich auf einer Unterlage, beispielsweise einer Platte oder einem Rost, befestigt werden. Schließlich können die Kupplungselemente 8, 10 und Verbindungselemente 11 auch die Aufgabe übernehmen, die nebeneinander angeordneten Solarmodule 1 elektrisch miteinander zu verbinden. Dazu können sie mit nicht dargestellten Leitern und Steckverbindern ausgestattet sein.
Das erwähnte Wärmeträgerfluid kann ein Gas oder vorzugsweise eine Flüssigkeit sein, beispielsweise Wasser, insbesondere ein Glykol enthaltend, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das Fluid kann im Kreislauf geführt werden und die in den Solarmodulen 1 aufgenommene Wärme an einen Speicher abgeben, der beispielsweise für die häusliche Warm- Wasserversorgung vorgesehen sein kann.
Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, dass das bzw. die Solarmodul(e) 1 dem jeweiligen Sonnenstand mit entsprechenden Motoren, insbesondere Elektromotoren, nachgeführt wird bzw. werden.
Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mit umfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereich beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1 oder 5,5 bis 10.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten des Solarmoduls 1 und Kombinationsmöglichkeiten zu Solareinheiten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt. Es sind also auch sämtliche denkbaren Ausführungsvarianten, die durch Kombinationen einzelner Details der dargestellten und beschriebenen Ausführungsvarianten möglich sind, vom Schutzumfang mit umfasst.
Der Ordnung halber sei abschließend daraufhingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus des Solarmoduls 1 dieses bzw. dessen Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/ oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrunde liegende Aufgabe kann der Be- Schreibung entnommen werden.
Vor allem können die einzelnen in den Fig. 1; 2; 3; 4; 5; 6 gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen.
Bezugszeichen auf Stellung
1 Solarmodul Profil
3 Kanäle photovoltaisches Element
5 Kohlefaserschicht
6 Längsrippen
7 Längsrippen
8 Kupplungselement
9 Verbindungselement 10 Kupplungselement
11 Strömungsrichtung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Solarmodul (1) mit zumindest einem photovoltaischen Element (4) zur Stromerzeugung und zumindest einem Profil (2) mit mindestens einem in seinem Inneren angeordneten Kanal (3), der dazu bestimmt ist, von einem Fluid, insbesondere einem Wärmeträgermedium, durchflössen zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem photovoltaischen Element (4) und dem Profil (2) eine Trägerschicht angeordnet ist.
2. Solarmodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die zwischen jener des photovoltaischen Elements (4) und des Profils (2) liegt.
3. Solarmodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht durch eine Kohlefaserschicht (5) oder Kohlefaserverbundwerkstoffschicht gebildet ist.
4. Solarmodul (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlefaserverbundwerkstoffschicht aus mit zumindest einem thermoplastischen Kunststoff verbundenen Kohlenstofffasern besteht.
5. Solarmodul (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlefaserschicht (5) ein Gewebe ist.
6. Solarmodul (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlefaserschicht (5) ein Vlies ist.
7. Solarmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht mit dem Profil (2) durch einem Klebstoff verbunden oder durch diesen gebildet ist.
8. Solarmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht mit dem photovoltaischen Element (4) durch einen Klebstoff verbunden ist.
9. Solarmodul (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff keramische Füllstoffe enthält.
10. Solarmodul (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff nach dem Abbinden dauerelastische Eigenschaften aufweist.
11. Solarmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das photovoltaische Element (4) ein Wafer ist.
12. Solarmodul (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die der Sonne zugewandte Oberfläche des Wafers mit einer Antireflexschicht, z.B. Siliziumnitrid, überzogen ist.
13. Solarmodul (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trägerschicht Ausnehmungen, insbesondere Löcher angeordnet sind, um den oder die Wafer elektrisch zu kontaktieren.
14. Solarmodul (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen in der Trägerschicht mit einem Harz ausgegossen sind.
15. Solarmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das photovoltaische Element auf die Trägerschicht aufgedampft ist.
16. Solarmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (2) aus Metall besteht.
17. Solarmodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.
18. Solarmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (2) ein Strangpressprofil ist.
19. Solarmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Profil (2) mehrere direkt nebeneinander liegende Kanäle ausgebildet sind.
20. Solarmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Höhe des Profils (2) zu dessen Breite ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 :15 und einer oberen Grenze von 1 :25.
21. Solarmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Höhe des Profils (2) zu dessen Breite ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 :18 und einer oberen Grenze von 1 :22.
22. Solarmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer Oberfläche des Profils (2) Längsrippen (6; 7) angeordnet sind.
23. Solarmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (2) mit einer Wärmepumpe kombiniert ist.
24. Solareinheit (1), dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mindestens zwei Solarmodulen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 23 besteht.
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