WO2008067808A2 - Electrothermal solar module - Google Patents

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WO2008067808A2
WO2008067808A2 PCT/DE2007/002217 DE2007002217W WO2008067808A2 WO 2008067808 A2 WO2008067808 A2 WO 2008067808A2 DE 2007002217 W DE2007002217 W DE 2007002217W WO 2008067808 A2 WO2008067808 A2 WO 2008067808A2
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base plate
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Hans Joachim Stengert
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Aton Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to an electrothermal solar module, consisting of a base plate, on the sun-facing side te photovoltaic elements are arranged and at the edge of a
  • a thermally insulating housing which consists of the sun side of a translucent material. Used are plates made of glass or plastic, which leave most of the short-wave sun rays through, which then heat the fluid-carrying hollow body in the interior of the housing. With increasing temperature, it radiates a portion of the previously recorded energy again as long-wave heat radiation, which is only partially transmitted through the transparent cover, which is why the principle of operation of the solar collector is often referred to as "heat trap" or "greenhouse effect". So that as little heat as possible is lost through the remaining walls of the housing, it is advisable to insulate them, for which in the simplest case insulating material is used which has numerous air inclusions up to insulating layers which are a vacuum.
  • Suitable energy converters are heat exchangers in which the liquid flows out of the solar collector through a coil which is arranged in a large storage tank for hot water and heats it in this way. Even easier are flowed through by the liquid radiator for heating of interiors.
  • photovoltaics is an economically viable alternative.
  • plates of semiconducting material - z For example, silicon - incident photons generate electrons and "holes" that are separated in the electric field of the space charge zone of the P-n junction When the two electrodes of such a solar cell via an electrical
  • a direct current has formed and, according to the current state of the art, a direct current can generate an alternating current via an "inverter" which can be fed into the electrical supply network and in this way can be easily transported to distant points of consumption.
  • a principal advantage of electrical energy is that it can be transported with great efficiency over long distances and processed with equally high efficiency.
  • One disadvantage is that it can only be stored directly with great effort.
  • the supply of electrical energy is one of the basic needs of everyday life. From the above consideration it follows that both thermal energy and electrical energy is needed at the same time, for. For example, for the supply of residential and working buildings and that for their extraction from solar energy currently also different, efficient processes are known.
  • a major disadvantage of all previously known energy converters, however, is that they generate either electrical or thermal energy.
  • the invention has set itself the task of developing a solar module that emits both thermal and electrical energy and works with the highest possible efficiency, but is still very simple and can rely on existing and proven components. Parts of the solar module should be usable for photovoltaic as well as for solar thermal energy.
  • the invention proposes an electrothermal solar module, in which the frame is a U-shaped profile, the open side facing the sun and which is covered with a translucent transparenzenzplatte and through the interior of which at least one hollow profile extends, which of a liquid can be flowed through.
  • the photovoltaic part of a solar module according to the invention consists of standard solar cells produced on the
  • the frame required for the mechanical stability of the photovoltaic structure is anyway used, by designing the frame as a sun-open, U-shaped profile whose open side is covered by a transparent transparency plate. In the resulting interior at least one hollow profile, which is flowed through by a liquid runs.
  • This structure corresponds to the current state of the art for solar collectors:
  • the short-wave radiation of the sun penetrates the transparency plate and heats the hollow profile with the liquid contained therein.
  • the hollow profile radiates heat which, however, due to its long waves, is for the most part prevented by the transparency plate from escaping out of the interior again.
  • a thermal insulation of the remaining walls improves the efficiency.
  • the liquid-flow hollow profile is in the simplest case a tube or a hose.
  • rib profiles on the outer surface are advantageous.
  • flow channels are formed in the inner wall, which enlarge the effective inner surface.
  • the next step in a meaningful improvement is to make the flow channels spiral, so that the liquid gets a twist, which forms turbulence, which significantly improves the heat transfer.
  • Hollow profile is adjacent.
  • the less heated liquid is heated with very good efficiency, surplus thermal energy from the adjacent, already strongly heated hollow profile can be delivered to the cooler hollow profile, whereby overheating is avoided and an approximately uniform temperature level is achieved along the frame.
  • the invention proposes various embodiments.
  • the contact surface between the frame and base plate is dimensioned larger than is necessary for purely mechanical fastening of the base plate and the discharge of the loads.
  • the area for forwarding the thermal energy from the base plate into the frame is removed.
  • the contact surface can be acted upon with a thermal paste, so that forms a perfect, thermal transition even when not completely touching contact surface and base plate. This configuration makes sense if the temperature of the base plate is higher than the temperature of the frame.
  • the baseplate with additional piping through which the liquid flows. It is possible to form these pipelines within the base plate or to apply them on an outer surface. Since the sun-facing side should be reasonably reserved for the photovoltaic elements, the invention prefers the attachment of these additional pipes on the back. Welding, gluing, soldering, clamping or grooving are suggested for the connection between piping and base plate. Other, thermally well conductive compounds are also suitable.
  • a solar module which consists of numerous, juxtaposed photovoltaic elements 2, which are mounted on the base plate 1.
  • the frame 3 which z. B. on the outside integrally formed fastening eyes 32 for screwing the complete solar module on the roof.
  • the frame 3 is a U-shaped profile whose open side is covered by the transparency plate 4. In the interior of this profile run in the drawing two hollow sections. 5
  • FIG. 2 shows the cross section through the frame profile and the base plate 1 fastened thereto.
  • the profile of the frame 3 has on its outer side fastening eyes 32, by means of which the solar module can be attached, for. B. can be screwed onto a roof surface.
  • the contact surface 31 can be seen on softer the base plate 1 rests and z. B. is secured by a screw.
  • the profile of the frame 3 is designed approximately U-shaped and is closed at the top by the transparency plate 4. This creates a closed interior, in which run in this example, two hollow sections 5.
  • These hollow profiles have on their outer side the rib profile 51 in order to increase the effective surface and thereby improve the heat transfer.
  • the flow channels 52 are formed in the inner wall. If these flow channels 52 are spirally wound around the longitudinal axis of the hollow profile, a spin arises in the liquid 6, which leads to turbulences, which mix the liquid 6, so that all particles of the liquid come into direct contact with the wall of the hollow profile 5 and to be heated better.
  • Hollow section 5 should have a direction opposite to the adjacent hollow profile 5 flow direction.
  • a pipe 7 is shown in Figure 2, which rests on the underside of the base plate 1 and is held there with the clamp 71.
  • the pipeline 71 has such a profile that it contacts the base plate 1 over the entire area with a large proportion of its outer surface, so that a good heat transfer between the base plate 1 and the pipeline 7 is ensured.
  • Figure 2 it is understood that a thermally even better connection is achieved by the integration of the pipe 7 directly into the material of the base plate 1.

Abstract

The invention relates to an electrothermal solar module consisting of a base plate, photovoltaic elements being arranged on the side of the base plate facing the sun and a frame being attached to the edge of the base plate. The frame is a U-shaped profiled element which is covered with a transparent plate, the open side of said profiled element facing the sun. At least one hollow profiled element through which a liquid flows extends through the inner part of the frame.

Description

Elektrothermisches Solarmodul Electrothermal solar module
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrothermisches Solarmodul, bestehend aus einer Grundplatte, auf deren sonnenzugewandter Sei- te Photovoltaikelemente angeordnet sind und an deren Rand einThe invention relates to an electrothermal solar module, consisting of a base plate, on the sun-facing side te photovoltaic elements are arranged and at the edge of a
Rahmen befestigt ist.Frame is attached.
Die Nutzung von Solarenergie hat eine Jahrhunderte alte Tradition. Nach aktuellem Stand der Technik existieren zahlreiche Verfahren zur direkten Erzeugung von thermischer Energie, der Solarthermie, und zur Erzeugung von elektrischer Energie, der Photovoltaik. Für die solarthermische Energieumwandlung ist es in den Mittelmeerländern üblich, einen dunkel gestrichenen Wassertank auf dem Hausdach anzuordnen, der das Brauchwasser in den Mittagsstunden bis nahe an die Siedetemperatur heran erwärmt. Ein prinzipieller Nachteil dieser Anordnung ist, dass von der aufgefangenen Strahlungsenergie der Sonne ein sehr großer Teil durch abgestrahlte Wärme wieder verloren geht.The use of solar energy has a centuries-old tradition. According to the current state of the art, there are numerous methods for the direct production of thermal energy, solar thermal energy, and for the generation of electrical energy, the photovoltaic. For the solar thermal energy conversion, it is common in the Mediterranean countries to arrange a dark-painted water tank on the house roof, which heats the hot water in the noon hours close to the boiling point. A principal disadvantage of this arrangement is that of the collected radiation energy of the sun a very large part is lost by radiated heat again.
Deshalb ist es üblich geworden, einen flüssigkeitsführenden Hohlkörper mit einem thermisch isolierenden Gehäuse zu umgeben, welches zur Sonnenseite aus einem lichtdurchlässigen Material besteht. Verwendet werden Platten aus Glas oder Kunststoff, die den größten Teil der kurzwelligen Sonnenstrahlen hindurch lassen, welche dann im Innenraum des Gehäuses den flüssigkeitsführenden Hohlkörper erwärmen. Mit zunehmender Temperatur strahlt er einen Teil der zuvor aufgenommenen Energie wieder als langwellige Wärmestrahlung ab, die von der transparenten Abdeckung jedoch nur zur einem kleinen Teil durchgelassen wird, weshalb das Funktionsprinzip des Solarkollektors auch häufig als „Wärmefalle" oder „Treibhauseffekt" bezeichnet wird. Damit durch die übrigen Wände des Gehäuses möglichst wenig Wärme verloren geht, empfiehlt es sich, diese zu isolieren, wozu im einfachsten Fall Isolationsmaterial dient, das zahlreiche Lufteinschlüsse aufweist, bis hin zu isolierenden Schichten, die ein Vakuum sind.Therefore, it has become customary to surround a liquid-carrying hollow body with a thermally insulating housing, which consists of the sun side of a translucent material. Used are plates made of glass or plastic, which leave most of the short-wave sun rays through, which then heat the fluid-carrying hollow body in the interior of the housing. With increasing temperature, it radiates a portion of the previously recorded energy again as long-wave heat radiation, which is only partially transmitted through the transparent cover, which is why the principle of operation of the solar collector is often referred to as "heat trap" or "greenhouse effect". So that as little heat as possible is lost through the remaining walls of the housing, it is advisable to insulate them, for which in the simplest case insulating material is used which has numerous air inclusions up to insulating layers which are a vacuum.
Mit Sonnenkollektoren lassen sich Wirkungsgrade von 60 % bis 75 % erzielen. Ihr Nachteil ist, dass die Energie nur in Form einer erwärmten Flüssigkeit verfügbar ist. Beim Weitertransport werden deshalb möglichst gut thermisch isolierende Leitungen benötigt, die möglichst kurz sein sollten, um auf dem Transportweg keine nennenswertenWith solar collectors efficiencies of 60% to 75% can be achieved. Their disadvantage is that the energy is available only in the form of a heated liquid. When transporting further, thermally insulating lines are therefore required as well as possible, which should be as short as possible in order to ensure that they are of no significant value on the transport route
Energieverluste zu erleiden.To suffer energy losses.
Daraus ergibt sich, dass der Sonnenkollektor möglichst in unmittelbarer Nähe zum Verbraucher angeordnet werden muss und die Energie vorrangig in der gleichen Form unverändert genutzt werden sollte, also bevorzugt zur Erwärmung von Brauchwasser und zur Beheizung von Innenräumen genutzt werden soll. Geeignete Energiewandler sind Wärmetauscher, in denen die Flüssigkeit aus dem Solarkollektor durch eine Rohrschlange fließt, welche in einem großen Speicherbe- hälter für Brauchwasser angeordnet ist und es auf diese Weise erwärmt. Noch einfacher sind von der Flüssigkeit durchströmte Heizkörper zur Erwärmung von Innenräumen aufgebaut.It follows that the solar collector must be arranged as close as possible to the consumer and the energy should primarily be used unchanged in the same form, so preferably to be used for heating domestic hot water and for heating indoor spaces. Suitable energy converters are heat exchangers in which the liquid flows out of the solar collector through a coil which is arranged in a large storage tank for hot water and heats it in this way. Even easier are flowed through by the liquid radiator for heating of interiors.
Für die Speicherung von aktuell nicht benötigter Wärmenergie sind nach derzeitigem technischen Stand große, thermisch isolierte Wasserspeicher in oder unter Bauwerken üblich, die so gut isoliert sind, dass sie auch über Monate hinweg nicht all zu sehr abkühlen.According to the current state of the art, large, thermally insulated water reservoirs in or beneath buildings are commonplace for storing heat energy that is not currently required, which are so well insulated that they do not cool down too much for months.
Dank der hohen Wirkungsgrade von 60 - 75 % ist die solarthermi- sehe Energienutzung durch Sonnenkollektoren immer dann sehr wirt- schaftlich, wenn die gewonnene Energie direkt als thermische Energie genutzt werden kann.Thanks to the high efficiencies of 60 - 75%, the use of solar thermal energy by solar collectors is always very efficient. if the energy gained can be used directly as thermal energy.
Für die Umwandlung in andere Energieformen, wie z. B. mechani- sehe oder gar elektrische Energie, existieren zwar zahlreiche Verfahren, die jedoch einen derart hohen Aufwand erfordern, dass insbesondere bei sehr kleinen Anlagen die Kosten für die Investition in einem Missverhältnis zu den Verbrauchskosten stehen.For conversion to other forms of energy, such. B. mechanical see or even electrical energy, although there are numerous methods that require such a high cost that, especially for very small investments, the cost of the investment in a disproportion to the consumption costs are.
Für die Umwandlung von solarer Energie in elektrische Energie ist deshalb die Photovoltaik eine wirtschaftlich sinnvolle Alternative. In Platten aus halbleitendem Material - z. B. Silizium - erzeugen einfallende Photonen Elektronen und „Löcher", die im elektrischen Feld der Raumladungszone des P-n-Übergangs getrennt werden. Wenn die beiden Elektroden einer solchen Solarzelle über eine elektrischeFor the conversion of solar energy into electrical energy, therefore, photovoltaics is an economically viable alternative. In plates of semiconducting material - z. For example, silicon - incident photons generate electrons and "holes" that are separated in the electric field of the space charge zone of the P-n junction When the two electrodes of such a solar cell via an electrical
Leitung und einen Verbraucher miteinander verbunden werden, fließen die Elektronen wieder zurück in die „Löcher"; ein Gleichstrom hat sich gebildet. Nach derzeitigem Stand der Technik kann ein Gleichstrom über einen „Wechselrichter" einen Wechselstrom erzeugen, der in das elektrische Versorgungsnetz eingespeist werden kann und auf diese Weise sehr einfach auch zu weit entfernten Verbrauchsstellen transportiert werden kann.The electrons flow back into the "holes", a direct current has formed and, according to the current state of the art, a direct current can generate an alternating current via an "inverter" which can be fed into the electrical supply network and in this way can be easily transported to distant points of consumption.
Ein prinzipieller Vorteil von elektrischer Energie ist, dass sie mit sehr hohem Wirkungsgrad über weite Strecken transportiert und mit ebenfalls hohem Wirkungsgrad verarbeitet werden kann. Ein Nachteil ist, dass sie nur mit sehr hohem Aufwand direkt speicherbar ist. Da jedoch zahlreiche Geräte des täglichen Lebens elektrisch aufgebaut sind, zählt die Versorgung mit elektrischer Energie zu den Grundbe- dürfnissen des täglichen Lebens. Aus der vorgenannten Betrachtung ergibt sich, dass sowohl thermische Energie als auch elektrische Energie gleichzeitig benötigt wird, z. B. für die Versorgung von Wohn- und Arbeitsgebäuden und dass für ihre Gewinnung aus Solarenergie aktuell auch verschiedene, effi- ziente Verfahren bekannt sind. Ein entscheidender Nachteil aller bisher bekannten Energiewandler ist jedoch, dass sie entweder elektrische oder thermische Energie erzeugen.A principal advantage of electrical energy is that it can be transported with great efficiency over long distances and processed with equally high efficiency. One disadvantage is that it can only be stored directly with great effort. However, since numerous devices of daily life are electrically constructed, the supply of electrical energy is one of the basic needs of everyday life. From the above consideration it follows that both thermal energy and electrical energy is needed at the same time, for. For example, for the supply of residential and working buildings and that for their extraction from solar energy currently also different, efficient processes are known. A major disadvantage of all previously known energy converters, however, is that they generate either electrical or thermal energy.
Auf diesem Hintergrund hat es sich die Erfindung zur Aufgabe ge- macht, ein Solarmodul zu entwickeln, dass sowohl thermische als auch elektrische Energie abgibt und dabei mit möglichst hohem Wirkungsgrad arbeitet, jedoch trotzdem sehr einfach aufgebaut ist und auf bestehende und bewährte Komponenten zurückgreifen kann. Teile des Solarmodules sollen sowohl für die Photovoltaik als auch für die Solarthermie nutzbar sein.Against this background, the invention has set itself the task of developing a solar module that emits both thermal and electrical energy and works with the highest possible efficiency, but is still very simple and can rely on existing and proven components. Parts of the solar module should be usable for photovoltaic as well as for solar thermal energy.
Als Lösung schlägt die Erfindung ein elektrothermisches Solarmodul vor, bei dem der Rahmen ein U-förmiges Profil ist, dessen offene Seite zur Sonne weist und das mit einer lichtdurchlässigen Transpa- renzplatte abgedeckt ist und durch dessen Innenraum wenigstens ein Hohlprofil verläuft, welches von einer Flüssigkeit durchströmbar ist.As a solution, the invention proposes an electrothermal solar module, in which the frame is a U-shaped profile, the open side facing the sun and which is covered with a translucent transparenzenzplatte and through the interior of which at least one hollow profile extends, which of a liquid can be flowed through.
Der Photovoltaik- Teil eines erfindungsgemäßen Solarmodules be- steht aus standardmäßig hergestellten Solarzellen, die auf derThe photovoltaic part of a solar module according to the invention consists of standard solar cells produced on the
Grundplatte flächig aufgebracht sind. Eine solche Anordnung ist seit den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts prinzipiell bekannt und wird auf aktuellem Stand der Technik in großem Maßstab produziert und angewandt. Solarzellenmodule nach diesem Prinzip werden vorwie- gend auf Hausdächer befestigt, wo sie den Belastungen durchBase plate are applied flat. Such an arrangement has been known in principle since the 1950s and is produced and applied on a large scale in the current state of the art. Solar cell modules based on this principle are predominantly mounted on rooftops, where they can withstand the stresses caused by
Sturm, Regen und Schneelast trotzen müssen. Dafür ist ein solider Rahmen üblich, welcher die Platte mit den Solarzellen umfasst, ihre Befestigung auf Hausdächern oder anderen Strukturen ermöglicht um eine ausreichende mechanische Stabilität zu erzeugen, die die Kräfte aus Sturm und Schneelast aufnimmt und in das Dach ableitet.Storm, rain and snow load must defy. That's a solid one Frame common, which includes the plate with the solar cells, their attachment to rooftops or other structures allows to produce sufficient mechanical stability that absorbs the forces of storm and snow load and dissipates into the roof.
Es ist die Kernidee dieser Erfindung, eine solche Struktur zusätzlich auch zur solarthermischen Energieerzeugung zu nutzen. Im ersten Ansatz wird dafür der Rahmen verwendet, der für die mechanische Stabilität der Photovoltaikstruktur sowieso erforderlich ist, indem der Rahmen als ein zur Sonne hin offenes, U-förmiges Profil gestaltet wird, dessen offene Seite mit einer lichtdurchlässigen Transparenzplatte abgedeckt wird. In dem dadurch entstehenden Innenraum verläuft wenigstens ein Hohlprofil, das von einer Flüssigkeit durchströmt wird.It is the core idea of this invention to use such a structure additionally for solar thermal energy generation. In the first approach, the frame required for the mechanical stability of the photovoltaic structure is anyway used, by designing the frame as a sun-open, U-shaped profile whose open side is covered by a transparent transparency plate. In the resulting interior at least one hollow profile, which is flowed through by a liquid runs.
Dieser Aufbau entspricht dem aktuellen Stand der Technik für Solarkollektoren: Die kurzwellige Strahlung der Sonne durchdringt die Transparenzplatte und erwärmt das Hohlprofil mit der darin enthaltenen Flüssigkeit. Durch die Erwärmung verstrahlt das Hohlprofil Wär- me, die jedoch aufgrund ihrer langen Wellen zum größten Teil von der Transparenzplatte daran gehindert wird, wieder aus dem Innenraum heraus auszutreten. Eine thermische Isolierung der übrigen Wände verbessert den Wirkungsgrad.This structure corresponds to the current state of the art for solar collectors: The short-wave radiation of the sun penetrates the transparency plate and heats the hollow profile with the liquid contained therein. As a result of the heating, the hollow profile radiates heat which, however, due to its long waves, is for the most part prevented by the transparency plate from escaping out of the interior again. A thermal insulation of the remaining walls improves the efficiency.
Für die Verbesserung der übrigen Eigenschaften dieses Flachkollektors, der im Solarmodul integriert ist, werden verschiedene Varianten vorgeschlagen. Das flüssigkeitsdurchströmte Hohlprofil ist im einfachsten Fall ein Rohr oder ein Schlauch. Um dessen Oberfläche zu erhöhen, sind Rippenprofile auf der Außenfläche vorteilhaft. In einer weiteren Verbesserungsstufe werden in die Innenwand Strömungskanäle eingeformt, welche die wirksame Innenfläche vergrößern. Der nächste Schritt einer sinnvollen Verbesserung ist es, die Strömungskanäle spiralförmig auszubilden, sodass die Flüssigkeit einen Drall erhält, wodurch sich Turbulenzen ausbilden, welche die Wärmeübertragung erheblich verbessern.For the improvement of the other properties of this flat collector, which is integrated in the solar module, various variants are proposed. The liquid-flow hollow profile is in the simplest case a tube or a hose. To increase its surface, rib profiles on the outer surface are advantageous. In a further improvement stage, flow channels are formed in the inner wall, which enlarge the effective inner surface. Of the The next step in a meaningful improvement is to make the flow channels spiral, so that the liquid gets a twist, which forms turbulence, which significantly improves the heat transfer.
Da die Wärmeübertragung zwischen abgebendem und aufnehmendem Körper umso besser ist, je größer die Temperaturdifferenz ist, wird vorgeschlagen, die Hohlprofile in dem U-förmigen Profil so anzuschließen, dass die Flüssigkeit gegenläufig darin strömt, wodurch einem relativ warmen Hohlprofil stets ein relativ kühles, weiteresSince the heat transfer between donor and receiving body is better, the greater the temperature difference, it is proposed to connect the hollow profiles in the U-shaped profile so that the liquid flows in opposite directions, whereby a relatively cool hollow profile always a relatively cool, further
Hohlprofil benachbart ist. Die weniger erwärmte Flüssigkeit wird mit sehr gutem Wirkungsgrad erwärmt, überschüssige thermische Energie aus dem benachbarten, bereits stark erwärmten Hohlprofil kann an das kühlere Hohlprofil abgegeben werden, wodurch Überhitzun- gen vermieden werden, und entlang des Rahmens ein etwa gleichmäßiges Temperaturniveau erreicht wird.Hollow profile is adjacent. The less heated liquid is heated with very good efficiency, surplus thermal energy from the adjacent, already strongly heated hollow profile can be delivered to the cooler hollow profile, whereby overheating is avoided and an approximately uniform temperature level is achieved along the frame.
Weitere Varianten des erfindungsgemäßen elektrothermischen Solarmoduls ergeben sich daraus, dass der Wirkungsgrad der Photo- voltaikelemente auf der Grundplatte gemäß aktuellem Stand derFurther variants of the electrothermal solar module according to the invention result from the fact that the efficiency of the photovoltaic elements on the base plate in accordance with the current state of the art
Technik unter 20 % liegt, also 80 % der auftreffenden, solaren Energie nach derzeitigem Technikstand ungenutzt bleibt. Dieser Effekt äußert sich darin, dass die Grundplatte, auf weicher die Photovol- taikelemente befestigt sind, erwärmt wird.Technology is below 20%, so 80% of the incidental solar energy remains unused according to the current state of technology. This effect manifests itself in the fact that the base plate on which the photovoltaic elements are attached is heated.
Zur Nutzung dieser Wärme schlägt die Erfindung verschiede Ausführungsvarianten vor. In der einfachsten Option wird die Kontaktfläche zwischen Rahmen und Grundplatte größer dimensioniert, als es zur rein mechanischen Befestigung der Grundplatte und der Ableitung der Lasten erforderlich ist. Dadurch wird die Fläche zur Weiterleitung der thermischen Energie von der Grundplatte in den Rahmen ver- größer! Für eine Verbesserung des Wärmeüberganges kann die Kontaktfläche mit einer Wärmeleitpaste beaufschlagt werden, sodass auch bei sich nicht vollflächig berührender Kontaktfläche und Grundplatte ein perfekter, thermischer Übergang ausbildet. Diese Konfigu- ration ist dann sinnvoll, wen die Temperatur der Grundplatte höher als die Temperatur des Rahmens ist.To use this heat, the invention proposes various embodiments. In the simplest option, the contact surface between the frame and base plate is dimensioned larger than is necessary for purely mechanical fastening of the base plate and the discharge of the loads. As a result, the area for forwarding the thermal energy from the base plate into the frame is removed. greater! To improve the heat transfer, the contact surface can be acted upon with a thermal paste, so that forms a perfect, thermal transition even when not completely touching contact surface and base plate. This configuration makes sense if the temperature of the base plate is higher than the temperature of the frame.
Eine weitere, interessante Option ist es, die Grundplatte mit zusätzlichen, von der Flüssigkeit durchströmten Rohrleitungen zu versehen. Es ist möglich, diese Rohrleitungen innerhalb der Grundplatte auszubilden oder sie auf einer Außenfläche aufzubringen. Da die sonnenzugewandte Seite sinnvoller Weise den Photovoltaikelementen vorbehalten werden sollte, bevorzugt die Erfindung die Anbringung dieser zusätzlichen Rohrleitungen auf der Rückseite. Für die Verbin- düng zwischen Rohrleitungen und Grundplatte wird Schweißen, Kleben, Löten, Klemmen oder das Verpressen in Nuten vorgeschlagen. Andere, thermisch gut leitende Verbindungen sind ebenfalls geeignet.Another interesting option is to provide the baseplate with additional piping through which the liquid flows. It is possible to form these pipelines within the base plate or to apply them on an outer surface. Since the sun-facing side should be reasonably reserved for the photovoltaic elements, the invention prefers the attachment of these additional pipes on the back. Welding, gluing, soldering, clamping or grooving are suggested for the connection between piping and base plate. Other, thermally well conductive compounds are also suitable.
Auf dem derzeit üblichen Stand der Energiepreise hat es sich als wirtschaftlich sinnvoll erwiesen, die effektive Oberfläche der Photo- voltaikelemente etwa ebenso groß zu gestalten wie die effektive O- berfläche der Sonnenkollektoren für thermische Energie.At the current level of energy prices, it has proven to be economically viable to make the effective surface area of the photovoltaic elements about as large as the effective surface area of the solar collectors for thermal energy.
Im folgenden sollen weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden. Diese sollen die Erfindung jedoch nicht einschränken, sondern nur erläutern.In the following, further details and features of the invention will be explained in more detail by way of examples. However, these are not intended to limit the invention, but only to explain.
Es zeigt in schematischer Darstellung: Figur 1 elektrothermisches Solarmodul, mit einer aufgebrochen dargestellten EckeIt shows in a schematic representation: Figure 1 electrothermal solar module, with a broken corner shown
Figur 2 Querschnitt durch den Rahmen und die Grundplatte Die Figuren zeigen im Einzelnen:Figure 2 Cross-section through the frame and the base plate The figures show in detail:
In Figur 1 ist ein Solarmodul gezeichnet, das aus zahlreichen, aneinander gereihten Photovoltaikelementen 2 besteht, die auf der Grundplatte 1 befestigt sind. Am Rand dieser Grundplatte ist umlaufend der Rahmen 3 befestigt, welcher z. B. über außen angeformte Befestigungsaugen 32 zum Anschrauben des vollständigen Solarmoduls auf dem Dach dient. In der geschnitten dargestellten Ecke des Solarmoduls ist zu erkennen, dass der Rahmen 3 ein U-förmiges Profil ist, dessen offene Seite durch die Transparenzplatte 4 abgedeckt ist. Im Innenraum dieses Profils verlaufen in der Zeichnung zwei Hohlprofile 5.In Figure 1, a solar module is drawn, which consists of numerous, juxtaposed photovoltaic elements 2, which are mounted on the base plate 1. At the edge of this base plate is circumferentially fixed to the frame 3, which z. B. on the outside integrally formed fastening eyes 32 for screwing the complete solar module on the roof. In the corner of the solar module shown cut, it can be seen that the frame 3 is a U-shaped profile whose open side is covered by the transparency plate 4. In the interior of this profile run in the drawing two hollow sections. 5
In Figur 1 ist die zusätzliche Ausführungsvariante mit Rohrleitungen 7 auf der Rückseite der Grundplatte 1 dargestellt. Die Rohrleitungen 7 werden ebenso wie die Hohlprofile 5 von einer Flüssigkeit durch- strömt, die zum Abtransport der solarthermischen Energie dient.In Figure 1, the additional embodiment is shown with pipes 7 on the back of the base plate 1. The pipes 7, like the hollow profiles 5, are flowed through by a liquid which serves to remove the solar thermal energy.
In Figur 2 ist der Querschnitt durch das Rahmenprofil und die daran befestigte Grundplatte 1 wiedergegeben. Das Profil des Rahmens 3 weist an seiner Außenseite Befestigungsaugen 32 auf, mithilfe derer das Solarmodul befestigt werden kann, z. B. auf einer Dachfläche angeschraubt werden kann. An der gegenüberliegenden Seite des Rahmens ist die Kontaktfläche 31 zu erkennen, auf weicher die Grundplatte 1 aufliegt und z. B. durch eine Verschraubung gesichert ist. In Figur 2 ist zu erkennen, dass das Profil des Rahmens 3 etwa U- förmig gestaltet ist und nach oben hin durch die Transparenzplatte 4 abgeschlossen ist. Dadurch entsteht ein geschlossener Innenraum, in welchem in diesem Beispiel zwei Hohlprofile 5 verlaufen. Diese Hohlprofile weisen an ihrer Außenseite das Rippenprofil 51 auf, um die effektive Oberfläche zu erhöhen und dadurch den Wärmeübergang zu verbessern. In ihrem Inneren sind die Strömungskanäle 52 in die Innenwand eingeformt. Wenn diese Strömungskanäle 52 spiralförmig um die Längsachse des Hohlprofils gewunden sind, ent- steht in der Flüssigkeit 6 ein Drall, welcher zu Turbulenzen führt, die die Flüssigkeit 6 durchmischen, sodass alle Partikel der Flüssigkeit in direkten Kontakt mit der Wandung des Hohlprofils 5 kommen und dadurch besser erwärmt werden.FIG. 2 shows the cross section through the frame profile and the base plate 1 fastened thereto. The profile of the frame 3 has on its outer side fastening eyes 32, by means of which the solar module can be attached, for. B. can be screwed onto a roof surface. On the opposite side of the frame, the contact surface 31 can be seen on softer the base plate 1 rests and z. B. is secured by a screw. In Figure 2 it can be seen that the profile of the frame 3 is designed approximately U-shaped and is closed at the top by the transparency plate 4. This creates a closed interior, in which run in this example, two hollow sections 5. These hollow profiles have on their outer side the rib profile 51 in order to increase the effective surface and thereby improve the heat transfer. In its interior, the flow channels 52 are formed in the inner wall. If these flow channels 52 are spirally wound around the longitudinal axis of the hollow profile, a spin arises in the liquid 6, which leads to turbulences, which mix the liquid 6, so that all particles of the liquid come into direct contact with the wall of the hollow profile 5 and to be heated better.
In Figur 2 ist nicht eingezeichnet, dass die Flüssigkeit 6 in dem einenIn Figure 2 is not shown that the liquid 6 in the one
Hohlprofil 5 eine zum benachbarten Hohlprofil 5 entgegengesetzte Strömungsrichtung haben sollte.Hollow section 5 should have a direction opposite to the adjacent hollow profile 5 flow direction.
Deutlich erkennbar ist jedoch, dass auf der Kontaktfläche 31 des Rahmens 3 die Grundplatte 1 aufliegt. Es ist in Figur 2 gut nachvollziehbar, dass Wärmeleitpaste zwischen diesen beiden Elementen den Wärmeübergang spürbar verbessert.It can clearly be seen, however, that the base plate 1 rests on the contact surface 31 of the frame 3. It is well understood in Figure 2 that thermal paste between these two elements noticeably improves the heat transfer.
Als weitere Ausführungsvariante ist in Figur 2 eine Rohrleitung 7 dargestellt, die auf der Unterseite der Grundplatte 1 aufliegt und dort mit der Klemme 71 gehalten wird. Die Rohrleitung 71 hat ein solches Profil, dass sie mit einem großen Anteil ihrer Außenfläche die Grundplatte 1 vollflächig kontaktiert, sodass ein guter Wärmeübergang zwischen der Grundplatte 1 und der Rohrleitung 7 gewährleis- tet ist. In Figur 2 ist nachvollziehbar, dass eine thermisch noch bessere Verbindung durch die Integration der Rohrleitung 7 direkt in das Material der Grundplatte 1 erreicht wird. As a further embodiment, a pipe 7 is shown in Figure 2, which rests on the underside of the base plate 1 and is held there with the clamp 71. The pipeline 71 has such a profile that it contacts the base plate 1 over the entire area with a large proportion of its outer surface, so that a good heat transfer between the base plate 1 and the pipeline 7 is ensured. In Figure 2 it is understood that a thermally even better connection is achieved by the integration of the pipe 7 directly into the material of the base plate 1.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Grundplatte, trägt Photovoltaikelemente 21 base plate, carries photovoltaic elements 2
2 Photovoltaikelemente, auf Grundplatte 2 3 Rahmen, aus U-Profil, trägt Grundplatte 12 photovoltaic elements, on base plate 2 3 frames, made of U-profile, supports base plate 1
31 Kontaktfläche des Rahmens 3 zur Grundplatte 131 contact surface of the frame 3 to the base plate. 1
32 Befestigungsaugen am Rahmen 332 fixing eyes on the frame 3
4 Transparenzplatte, deckt Rahmen 3 nach oben hin ab4 transparency plate covers frame 3 upwards
5 Hohlprofil, flüssigkeitsdurchströmt, in Rahmen 3 innen ange- ordnet5 Hollow section, through which liquid flows, in frame 3 on the inside
51 Rippenprofil auf der Außenseite von Hohlprofil 551 Rib profile on the outside of hollow profile 5
52 Strömungskanal an der Innenwand von Hohlprofil 552 flow channel on the inner wall of hollow section 5
6 Flüssigkeit, fließt in Hohlprofil 5 und Rohrleitung 76 liquid flows in the hollow section 5 and pipe 7
7 Rohrleitung, unter oder in Grundplatte 1 71 Klemmen, zur Befestigung der Rohrleitung 7 unter der Grundplatte 1 7 Pipeline, under or in base plate 1 71 clamps, for fixing the pipe 7 under the base plate 1

Claims

Ansprüche claims
1. Elektrothermisches Solarmodul, bestehend aus einer Grundplatte 1 , auf deren sonnenzugewandter Seite Photovoltaik- elemente 2 angeordnet sind und an deren Rand ein Rahmen 3 befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen 3 ein U-förmiges Profil ist1. electrothermal solar module consisting of a base plate 1, on the sun-facing side of photovoltaic elements 2 are arranged and at the edge of a frame 3 is fixed, characterized in that the frame 3 is a U-shaped profile
- dessen offene Seite zur Sonne weist und - dass mit einer lichtdurchlässigen Transparenzplatte 4 abgedeckt ist- The open side facing the sun and - that is covered with a translucent transparency plate 4
- und durch dessen Innenraum wenigstens ein Hohlprofil 5 verläuft, welches von einer Flüssigkeit 6 durchströmbar ist.- And through the interior of which at least one hollow profile 5 extends, which is traversed by a liquid 6.
2. Elektrothermisches Solarmodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil 5 an der Außenseite ein Rippenprofil 51 aufweist.2. Electrothermal solar module according to claim 1, characterized in that the hollow profile 5 has a rib profile 51 on the outside.
3. Elektrothermisches Solarmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Innenwand des Hohlprofils 5 Strömungskanäle 52 eingeformt sind.3. Electrothermal solar module according to one of the preceding claims, characterized in that 5 flow channels 52 are formed in the inner wall of the hollow profile.
4. Elektrothermisches Solarmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die inwändigen Strömungskanäle 52 spiralförmig um die Längsachse des Hohlprofils 5 winden. 4. An electrothermal solar module according to claim 3, characterized in that the intricate flow channels 52 spirally wound around the longitudinal axis of the hollow section 5.
5. Elektrothermisches Solarmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen 3 wenigstens zwei Hohlprofile 5 enthält, die gegenläufig von der Flüssigkeit 6 durchströmbar sind.5. An electrothermal solar module according to one of the preceding claims, characterized in that the frame 3 contains at least two hollow profiles 5, which are in opposite directions of the liquid 6 can flow.
6. Elektrothermisches Solarmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche 31 zwischen Rahmen 3 und Grundplatte 1 größer di- mensioniert ist als es zur rein mechanischen Befestigung der6. An electrothermal solar module according to any one of the preceding claims, characterized in that the contact surface 31 between the frame 3 and the base plate 1 is dimensioned larger than it for purely mechanical attachment of
Grundplatte 1 und der Ableitung der Lasten erforderlich ist.Base plate 1 and the discharge of the loads is required.
7. Elektrothermisches Solarmodul nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche 31 zwischen Rahmen 3 und Grundplatte 1 mit einer Wärmeleitpaste beaufschlagt ist.7. An electrothermal solar module according to one of the preceding claims, characterized in that the contact surface 31 between the frame 3 and the base plate 1 is acted upon by a thermal paste.
8. Elektrothermisches Solarmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte 1 mit zusätzlichen, von der Flüssigkeit 6 durchströmbaren Rohrleitungen 7 versehen ist.8. An electrothermal solar module according to one of the preceding claims, characterized in that the base plate 1 is provided with additional, can be traversed by the liquid 6 pipes 7.
9. Elektrothermisches Solarmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen 7 auf der sonnen- abgewandten Seite aufgebracht sind. 9. An electrothermal solar module according to claim 8, characterized in that the pipes 7 are applied on the side facing away from the sun.
10. Elektrothermisches Solarmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen 7 durch10. An electrothermal solar module according to claim 9, characterized in that the pipes 7 through
- Schweißen und/oder- welding and / or
- Kleben und/oder - Löten und/oder- gluing and / or - soldering and / or
- Klemmen 71 und/oder- Terminals 71 and / or
- Verpressen in Nuten oder- Pressing in grooves or
- in einer anderen thermisch leitenden Weise mit der Grundplatte verbunden sind.- Are connected in another thermally conductive manner with the base plate.
11. Elektrothermisches Solarmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass etwa der gleiche, effektive Oberflächenanteil durch Photovoltaik und durch Solarthermie nutzbar ist. 11. An electrothermal solar module according to one of the preceding claims, characterized in that about the same, effective surface portion by photovoltaic and solar thermal energy is available.
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