DE102016223140A1

DE102016223140A1 - Solarmodul

Info

Publication number: DE102016223140A1
Application number: DE102016223140.5A
Authority: DE
Inventors: Harald Hahn; Holger Neuhaus; Martin KUTZER
Original assignee: SolarWorld Innovations GmbH
Current assignee: Meyer Burger Germany GmbH
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2016-11-23
Publication date: 2017-06-01
Also published as: US20170155360A1; DE202015008287U1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Solarmodul, insbesondere hybrides Photovoltaik-Solarthermie-Modul, mit zumindest zwei benachbarten Solarzellen, welche zumindest abschnittsweise bifacial ausgebildet und in ein transparentes Laminat eingebettet sind, wobei das Laminat eine Laminatrückseite aufweist, an welcher eine zum Führen eines Wärmeträgermediums ausgebildete Struktur vorgesehen ist, wobei ein der Laminatrückseite zugewandter erster Abschnitt der Struktur eine reflektierende Oberfläche aufweist und angeordnet ist, um auf das Solarmodul einfallendes Licht, welches nicht direkt auf die Solarzellen trifft, zu reflektieren.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Solarmodul, insbesondere ein hybrides Photovoltaik-Solarthermie-Modul.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Solarmodule dienen der Wandlung von Sonneneinstrahlung in Energie. Dazu existieren Solarmodule in Form von so genannten Photovoltaikmodulen und in Form von so genannten Solarthermiemodulen.
Ein Photovoltaikmodul enthält Solarzellen, welche Licht in nutzbare elektrische Energie wandeln.
Ein Solarthermiemodul enthält einen sogenannten solarthermischen Kollektor, also einen die Sonneneinstrahlung absorbierenden Bereich, der ausgebildet ist, um die absorbierte, das heißt in Wärme gewandelte, Energie an ein Wärmeträgermedium zu übergeben.
Darüber hinaus existieren auch hybride Photovoltaik-Solarthermie-Module sogenannte, hybride PV/T oder PVT Module. Diese weisen üblicherweise sowohl Solarzellen als auch einen solarthermischen Kollektor auf. Diese Art von Solarmodul ist daher geeignet, Sonneneinstrahlung in nutzbare elektrische Energie und in nutzbare thermische Energie zu wandeln. Ein solches Hybridmodul ist beispielsweise in der DE 10 2007 022 164 A1 beschrieben.
Bisweilen weisen derartige Hybridmodule aber nur eine vergleichsweise geringe elektrische Flächenleistung auf.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Solarmodul anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Solarmodul mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst.
Demgemäß ist ein Solarmodul, insbesondere ein hybrides Photovoltaik-Solarthermie-Modul, vorgesehen, mit zumindest zwei benachbarten Solarzellen, welche zumindest abschnittsweise bifacial ausgebildet und in ein transparentes Laminat eingebettet sind, wobei das Laminat eine Laminatrückseite aufweist, an welcher eine zum Führen eines Wärmeträgermediums ausgebildete Struktur vorgesehen ist, wobei ein der Laminatrückseite zugewandter erster Abschnitt der Struktur eine reflektierende Oberfläche aufweist und angeordnet ist, um auf das Solarmodul einfallendes Licht, welches nicht direkt auf die Solarzellen trifft, zu reflektieren.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass die Wirtschaftlichkeit eines hybriden Photovoltaik-Solarthermie-Modul stark verbessert werden kann, wenn die Anforderungen an eine hohe Effizienz der Solarzellen bei dem Design des Solarmoduls gegenüber den Anforderungen der Effizienz des solarthermischen Kollektors vorrangig berücksichtigt werden. Dies gelingt insbesondere bei Einsatz des Solarmoduls in einem Niedrigtemperatur-Hausversorgungssystem, bei welchem ein Wärmeträgermedium mit vergleichsweise niedrigen Temperaturen eingesetzt wird und somit im Betrieb in einem mit den Solarzellen verträglichen Temperaturbereich liegt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht nun darin, bei einem Hybridmodul transparent eingebettete, zumindest abschnittsweise bifaciale Solarzellen einzusetzen und die Struktur, die zum Führen des Wärmeträgermediums vorgesehen ist, als Reflektor zu nutzen.
Als bifaciale Solarzellen werden Solarzellen bezeichnet, bei denen sowohl die Vorderseite wie auch die Rückseite zur Stromerzeugung nutzbar sind. Als zumindest abschnittsweise bifaciale Solarzellen können vollständig bifaciale Solarzellen oder auch nur abschnittsweise bifaciale Solarzellen eingesetzt werden. Vorzugsweise handelt es sich um sogenannte randbifaciale Solarzellen, die nur am Rand bifacial ausgebildet sind.
Die erhöhte Effizienz derartiger zumindest abschnittsweise bifacialer Solarzellen wird erfindungsgemäß bei einem Hybridmodul optimal ausgenutzt, da die das Wärmeträgermedium führende Struktur zumindest in einem ersten Abschnitt mit einer reflektierenden Oberfläche ausgebildet ist. Somit trifft mehr zur Erzeugung elektrischer Energie nutzbares Licht auf die Solarzellen, insbesondere auf deren Rückseite. Vorteilhaft ist dazu kein zusätzliches Bauteil notwendig. Dabei fällt weiterhin ausreichend Wärme, insbesondere in Form von Abwärme der Solarzellen an, die solarthermisch genutzt werden kann.
Die reflektierende Oberfläche weist vorzugsweise einen Reflexionsgrad, auch Albedo genannt, von zumindest 50%, vorzugsweise mindestens 80%, auf. Denkbar wären auch Werte von mehr als 90%.
Insgesamt weist die das Wärmeträgermedium führende Struktur somit erfindungsgemäß zusätzlich die Funktionen einer eine bifaciale Solarzellenanordnung optimal unterstützenden Trägerstruktur oder Modulrückwand auf. Dazu können auch Befestigungspunkte zur Realisierung der Funktion einer Trägerschiene (Backrail) vorgesehen sein.
Darüber hinaus kann die Struktur eine mechanisch tragende Funktion für das Solarmodul erfüllen. Beispielsweise kann so vorteilhaft ein Rahmen des Solarmoduls kleiner dimensioniert oder eliminiert werden.
Die das Wärmeträgermedium führende Struktur kann bei entsprechender thermischer Kopplung zur Kühlung der Solarzellen eingesetzt werden. Das Wärmeträgermedium dient daher erfindungsgemäß der Abfuhr von Abwärme der Solarzellen, welche damit in einem effizienten Temperaturbereich betrieben werden können. Die Abwärme der Solarzellen kann dabei vorteilhaft nutzbar gemacht werden. Insbesondere sind die damit erreichbaren Temperaturen des Wärmeträgermediums für den Betrieb von Niedrigtemperatur-Hausversorgungssystemen geeignet.
Der erfindungsgemäß stark erhöhte Ertrag elektrischer Energie kann beispielsweise zum Betrieb einer Wärmepumpe eines (Niedrigtemperatur-)Hausversorgungssystems und/oder zum Fördern des Wärmeträgermediums genutzt werden. Die solarthermische Komponente des PVT-Moduls kann dabei als Quelle für einen Niedrigtemperatur-Speicher und/oder die Wärmepumpe direkt dienen.
Als Wärmeträgermedium kommen vielfältige für Wärmetauscher-Anwendungen, insbesondere für Hausversorgungssysteme, einsetzbare Wärmeträgerfluide in Frage.
Denkbar ist darüber hinaus, die das Wärmeträgermedium führende Struktur lediglich zur Kühlung einzusetzen, gegebenenfalls auch ohne eine Nutzung der Abwärme vorzusehen. In diesem Fall könnte die Kühlung auch mit Luft als Wärmeträgermedium erfolgen. Auch eine reine Konvektionskühlung wäre in diesem Fall denkbar. In diesem Fall können zusätzliche Öffnungen an der Struktur vorgesehen sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen und/oder neben den Solarzellen ein transparenter Bereich vorgesehen, wobei der erste Abschnitt der Struktur in den transparenten Bereich einfallendes Licht zumindest teilweise an eine Rückseite der Solarzellen reflektiert. Somit wird der elektrische Wirkungsgrad des Solarmoduls erhöht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Abschnitt der Struktur von der Laminatrückseite beabstandet angeordnet. Vorteilhaft ist somit ein vergrößerter Abstand zwischen der reflektierenden Oberfläche und der Rückseite der zumindest abschnittsweise bifacialen Solarzellen vorgesehen. Dieser kann ausgenutzt werden, um einen größeren Anteil des reflektierten Lichts auf die Solarzellenrückseite zu lenken.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung verläuft der erste Abschnitt der Struktur parallel zu der Laminatrückseite. Somit kann das Licht auf besonders einfache Weise mittels eines streuenden oder diffusen Reflektors auf größere und/oder mehrere Solarzellenrückseiten reflektiert werden.
Gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform ist ein zweiter Abschnitt der Struktur vorgesehen ist, welcher in einem durch die Solarzellen verdeckten Bereich angeordnet ist. Dieser kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, das Laminat mechanisch abzustützen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der zweite Abschnitt der Struktur mit einem thermischen Kontakt zu der Laminatrückseite vorgesehen. Das Laminat und damit auch die Solarzellen können somit mittels der das Wärmeträgermedium führenden Struktur gekühlt werden. Beispielsweise kann eine intensive thermische Kopplung mittels einer Wärmeleitungspaste hergestellt sein. Das Material des zweiten Abschnitts der Struktur ist dabei als Leiter ausgebildet und vorgesehen, die von dem Laminat abgeführte Wärmeenergie an das Wärmeträgermedium zu übergeben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Struktur zumindest teilweise mit einem Hutprofil gebildet. Vorteilhaft ist die Struktur somit mittels eines Hutprofils einfach herzustellen. Beispielsweise kann das Hutprofil aus profilierten und/oder verschweißten Blechen gebildet sein. Auch eine Ausbildung aus einem durchgehenden Vielfach abgekanteten Blech ist möglich. Darüber hinaus kann das Hutprofil als strukturelle Basis des Solarmoduls eingesetzt werden. Somit kann eine weitere Trägerstruktur oder ein Rahmen des Solarmoduls kleiner dimensioniert oder eliminiert werden.
Bei einer Weiterbildung weist die Struktur einen teilweise mit dem Hutprofil begrenzten Fluidkanal auf. Der Fluidkanal dient dabei vorzugsweise zum Führen des Wärmeträgermediums. Alternativ oder zusätzlich kann der Fluidkanal mit einem transparenten Füllmedium, wie beispielsweise Silikon oder EVA (Ethylenvinylacetat) gefüllt sein. Im Falle mehrerer Fluidkanäle können davon einzelne Fluidkanäle mit einem transparenten Füllmedium gefüllt sein. Ferner kann der Fluidkanal oder einzelne Fluidkanäle alternativ oder zusätzlich auch als Öffnung zur Konvektionskühlung des Solarmoduls dienen.
Gemäß einer Weiterbildung bildet eine erste Ebene des Hutprofils den ersten Abschnitt der Struktur und eine zweite Ebene des Hutprofils, die parallel zu der ersten Ebene verläuft, zumindest teilweise den zweiten Abschnitt der Struktur. Vorteilhaft ist somit automatisch der erste Abschnitt der Struktur von der Laminatrückseite beabstandet.
Gemäß einer Ausführungsform ist der zweite Abschnitt der Struktur als solarthermisches Kollektorelement ausgebildet. Demnach kann es teilweise, insbesondere an anderen Abschnitten als dem ersten Abschnitt, ohne eine reflektierende Oberfläche vorgesehen sein. Optional oder zusätzlich kann das Kollektorelement eine absorptionsfördernde Oberfläche aufweisen. Des Weiteren kann das Kollektorelement mit einer vergrößerten Oberfläche, beispielsweise als Flachelement, geformt sein, um einen verbesserten Wärmeübergang bereitzustellen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der erste Abschnitt der Struktur mit einer parallel zur Laminatrückseite verlaufenden Rückplatte gebildet. Ein Fluidkanal ist dabei von der Rückplatte und von der Laminatrückseite begrenzt. Die Rückplatte kann beispielsweise aus Glas gebildet sein. Zur seitlichen Begrenzung können zusätzliche Dichtelemente vorgesehen sein. In diesem Fall kann die Rückplatte eine untere Grenzfläche des Fluidkanals darstellen, welche dann zumindest Abschnittsweise in dem ersten Abschnitt der Struktur die reflektierende Oberfläche aufweist.
Gemäß einer Weiterbildung ist in die Rückplatte eine Nut eingebracht, die den Fluidkanal bildet. Insbesondere können mehrere Nuten eingebracht sein, welche je einen Fluidkanal bilden. Somit ist der Fluidkanal oder sind die Fluidkanäle in der Rückplatte selbst gebildet. Vorteilhaft wird somit ein Aufwand zum Abdichten des Solarmoduls deutlich verringert. Ferner sind somit vorteilhaft weniger Einzelbauteile notwendig.
Gemäß einer alternativen Weiterbildung sind zwischen der Laminatrückseite und der Rückplatte Abstandselemente vorgesehen, die einen dazwischenliegenden Abstand definieren. Vorteilhaft kann auf diese Weise die Stabilität und Maßhaltigkeit des Solarmoduls auch bei großen Flächen, die üblicherweise mit Glasscheiben gebildet sind, gewährleistet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Abstandselemente als Dichtungs- und/oder Wärmeleitungselemente ausgebildet. Vorzugsweise begrenzen sie dabei den zwischen der Laminatrückseite und der Rückplatte liegenden Fluidkanal. Somit ist vorteilhaft mit geringem Aufwand ein definierter Fluidkanal gebildet. Insbesondere kann so auf einfache Weise der erste Abschnitt der Struktur von dem Fluidkanal abgetrennt werden.
Gemäß einer Ausführungsform verläuft der Fluidkanal jeweils durch den durch die Solarzellen verdeckten Bereich. Vorteilhaft wird somit der Bereich, in welchem der erste Abschnitt der Struktur Licht auf die Solarzellen reflektiert, nicht beeinträchtigt. Ferner wird so vorteilhaft für eine gute Wärmeabfuhr von Abwärme von der Solarzelle gesorgt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Struktur zum Führen des Wärmeträgermediums ausgebildete Leitungen. Diese weisen insbesondere eine zum Führen eines Wärmeträgermediums geeignete Dichtheit und chemische Beständigkeit auf.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Leitungen in einer an die Laminatrückseite angrenzenden Einkapselung vorgesehen. Optional oder zusätzlich können Anschlüsse der Leitungen für eine spätere Verrohrung für das Wärmeträgermedium in die Einkapselung mit eingespritzt vorgesehen sein. Vorteilhaft ist so eine integrale und einfach herzustellende Realisierung der Leitungen bereitgestellt.
Bei einer Weiterbildung ist die Einkapselung mit einem geschäumten weißen Kunststoff gebildet. In diesem Fall bildet die Einkapselung selbst zumindest abschnittsweise den ersten Abschnitt der Struktur. Kunststoffschäume sind vorteilhaft leicht, mechanisch stabil und sehr kostengünstig. Ferner bietet eine derartige Ausgestaltung die Möglichkeit, den geschäumten Kunststoff gleichzeitig als Dachisolationsmaterial, insbesondere zur Wärme/Kältedämmung bei sogenannten Indach-Modulen, zu nutzen.
Bei dem geschäumten weißen Kunststoff kann es sich beispielsweise um Polyurethan-Hartschaum oder Polystyrolschaum handeln.
Vorzugsweise ist der geschäumte weiße Kunststoff der Einkapselung an seiner der Laminatrückseite zugewandten Seite als diffuser Reflektor ausgebildet. Somit ist auf sehr kostengünstige Weise die Ausbildung der Struktur mitsamt Leitungen und Reflektor realisiert. Zur Einstellung, insbesondere Erhöhung, des Reflexionsgrades können gegebenenfalls Pigmente, insbesondere weiße Pigmente, in dem geschäumten weißen Kunststoff beigemischt sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein bereits nativ stark reflektierender geschäumter weißer Kunststoff eingesetzt werden. Insbesondere kann es sich dabei um Polystyrolschaum handeln, der auch ohne Pigmentzusatz eine bereits einen hohe Reflexionsgrad von >90% aufweist.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist die Einkapselung transparent ausgebildet. In diesem Fall bilden die Leitungen zumindest abschnittsweise den ersten Abschnitt der Struktur.
Die Einkapselung sorgt dabei für die mechanische Beständigkeit der Struktur.
Insbesondere sind dabei die Leitungen an ihrer der Laminatrückseite zugewandten Seite mit einer reflektierenden Oberfläche ausgebildet. Beispielsweise können die Leitungen als in der Einkapselung eingebettete Rohre mit reflektierender Oberfläche vorgesehen sein.
Des Weiteren sind die Leitungen vorzugsweise rund ausgebildet, wobei die reflektierende Oberfläche der Leitungen entsprechend der runden Ausbildung in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet ist.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Leitungen als Hohlräume in der Einkapselung ausgebildet. Insbesondere führen die integral mit der Einkapselung gebildeten Leitungen Luft als Wärmeträgermedium und werden dementsprechend von der Luft durchströmt. Im Falle einer transparenten Einkapselung können Leitungen als Hohlräume mit reflektierender Wand ausgebildet sein. Dazu kann die Grenzschicht zum Hohlraum entsprechend ausgelegt sein. Dies kann durch eine entsprechende Bearbeitung erfolgen. Denkbar ist ferner, die Hohlräume mit einem reflektierenden Material zu beschichten.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
INHALTSANGABE DER ZEICHNUNG
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
5 eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel;
6 eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel;
7 eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel;
8 eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einem achten Ausführungsbeispiel;
9 eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel; und
10 eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel.
Die beiliegenden Figuren der Zeichnung sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts anderes ausgeführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
Bei dem gezeigten Solarmodul 1 handelt es sich um ein hybrides Photovoltaik-Solarthermie-Modul.
Dieses weist zwei benachbarte Solarzellen 2 auf, welche jeweils eine Rückseite 10 aufweisen und abschnittsweise bifacial ausgebildet sind. Rein beispielhaft sind hier zwei Solarzellen 2 gezeigt. Es kann auch eine beliebige andere Vielzahl von Solarzellen vorgesehen sein.
Insbesondere handelt es sich um randbifaciale Solarzellen, welche einen bifacial ausgebildeten Randbereich 23 aufweisen.
Ein Beispiel für den Aufbau derartiger randbifacialer Solarzellen ist in dem deutschen Gebrauchsmuster DE 20 2015 102 238 U1 beschrieben.
Die Solarzellen sind in ein transparentes Laminat 3 eingebettet. Das transparente Laminat 3 weist eine obere und eine untere Deckscheibe 24, 25 sowie ein dazwischenliegendes transparentes Einbettungsmaterial 26 auf, in welchem die Solarzellen 2 angeordnet sind. Die Deckscheiben 24, 25 sind vorzugsweise aus Glas ausgebildet.
Zwischen den beiden Solarzellen 2 ist ein transparenter Bereich 8 des Laminats 3 vorgesehen.
Das Laminat 3 weist eine Laminatrückseite 4 auf, an welcher eine zum Führen eines Wärmeträgermediums ausgebildete Struktur 5 vorgesehen ist.
Die Struktur 5 weist einen ersten Abschnitt 6 und einen zweiten Abschnitt 11 auf. Der erste Abschnitt 6 ist mit einer reflektierenden, der Laminatrückseite 4 zugewandten Oberfläche 7 ausgebildet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine diffus reflektierende Oberfläche. Beispielsweise kann es sich dabei um ein weiß beschichtetes Blech handeln, beispielsweise mit einer Albedo von zumindest 50%, vorzugsweise zumindest 80%.
Ferner ist der erste Abschnitt unterhalb des transparenten Bereichs 8 angeordnet, sodass in das Solarmodul 1 im Bereich des transparenten Abschnitts 8 einfallendes Licht 9 auf den ersten Abschnitt trifft und an der reflektierenden Oberfläche 7 zu einem großen Teil an die Rückseiten 10 der Solarzellen 2, vorwiegend in die bifacialen Randbereiche 23, reflektiert wird.
Auch am Rand des Solarmoduls 1 kann ein transparenter Bereich vorgesehen sein. In diesem Fall kann auch am Rand des Solarmoduls ein zusätzlicher erster Abschnitt der Struktur 5 mit einer reflektierenden Oberfläche 7 vorgesehen sein.
Der zweite Abschnitt 11 ist jeweils mit einem solarthermischen Kollektorelement 27 gebildet und in einem durch die Solarzellen 2 verdeckten Bereich 12 angeordnet. Das solarthermische Kollektorelement 27 steht dabei in direkten Kontakt mit der Laminatrückseite 4, sodass ein Wärmeübergang von dem Laminat 3 auf das solarthermische Kollektorelement 27 ermöglicht ist. Optional kann dazu ein hier nicht dargestellter thermischer Kontakt, beispielsweise in Form einer Wärmeleitungspaste, vorgesehen sein, der die Laminatrückseite 4 mit dem solarthermischen Kollektorelement 27 thermisch koppelt.
Bei dem solarthermischen Kollektorelement 27 handelt es sich beispielhaft um einen mit Bohrungen für ein Wärmeträgerfluid versehenen Block, welcher gute Wärmeleitungseigenschaften aufweist. In den Bohrungen geführtes Wärmeträgermedium kann somit an dem Kollektorelement 27 aufgenommene Wärmeenergie ableiten. Der Block kann dazu beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer gefertigt sein.
Somit kühlt das Kollektorelement 27 die Solarzellen 2. Die Solarzellen 2 können daher in einem niedrigen Temperaturbereich gehalten werden, in welchem sie einen höheren Wirkungsgrad aufweisen. Beispielsweise werden die Solarzellen in einem Temperaturbereich unterhalb von 40°C, vorzugsweise im Bereich von 20°C bis 30°C gehalten. Somit findet bei Sonneneinstrahlung eine stetige Wärmeleitung von den Solarzellen 2 über das Laminat 3 und die Laminatrückseite 4 auf das Kollektorelement 27 und schließlich das Wärmeträgermedium statt.
Zudem kann das Kollektorelement 27 in den durch die Solarzellen 2 verdeckten Bereichen 12 eine äußere Beschichtung und/oder Farbe aufweisen, welche einen hohen Absorptionsgrad aufweist. Somit kann in den Solarzellen 2 nicht aufgenommene Sonneneinstrahlung bzw. mehrfach gestreute Strahlung absorbiert und als nutzbare Wärmeenergie abgeführt werden.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele erläutert, wobei lediglich auf die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel eingegangen wird. Nicht explizit beschriebene Elemente sind dabei funktionsgleich zum ersten Ausführungsbeispiel.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist die Struktur 5 gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel ein solarthermisches Kollektorelement 27 auf, welches sich über die gesamte Fläche des Solarmoduls 1 erstreckt.
Als weiterer Unterschied ist die reflektierende Oberfläche 7 zwischen der Laminatrückseite 4 und dem Kollektorelement 27 angeordnet. Rein beispielhaft erstreckt sich die reflektierende Oberfläche 7 hier ebenfalls über die gesamte Fläche des Solarmoduls 1. Denkbar ist aber ebenso, eine Erstreckung der reflektierenden Oberfläche 7 nur nahe der transparenten Bereiche 8 vorzusehen.
Zwischen dem Kollektorelement 27 und der Laminatrückseite 4 sind thermische Kontakte 13 vorgesehen, welche das Laminat mit der Struktur 5 thermisch koppeln.
Vorzugsweise sind diese thermischen Kontakte 13, wie hier dargestellt, in von den Solarzellen 2 verdeckten Bereichen 12 angeordnet. Bei den thermischen Kontakten 13 kann es sich beispielsweise um Wärmeleitpaste handeln.
Rein beispielhaft sind die thermischen Kontakte 13 auf die reflektierende Oberfläche 7 aufgebracht. Ebenso kann die reflektierende Oberfläche 7 in den von den Solarzellen verdeckten Bereichen 12 jedoch unterbrochen oder ausgenommen sein, sodass der thermische Kontakt 13 die Laminatrückseite 4 direkt mit dem Kollektorelement 27 thermisch koppelt.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen ist die Struktur 5 hier mit einem Hutprofil 14 ausgebildet. Insbesondere handelt es sich bei dem Hutprofil 14 um ein zusammenhängendes Blech, welches im Querschnitt eine Vielzahl von nebeneinander vorgesehenen, periodisch wiederkehrenden Hutformen aufweist.
Das Hutprofil 14 weist eine erste Ebene 15 auf, welche den ersten Abschnitt 6 der Struktur 5 bildet. Ferner ist eine zweite Ebene 16 vorgesehen, welche den zweiten Abschnitt 11 der Struktur 5 bildet.
Im Bereich des zweiten Abschnitts 11 ist ein thermischer Kontakt 13 vorgesehen, welcher das Hutprofil 14 der Struktur 5 mit der Laminatrückseite 4 thermisch koppelt.
Im ersten Abschnitt 6 ist die erste Ebene 15 des Profils 5 von der Laminatrückseite 4 beabstandet und mit der reflektierenden Oberfläche 7 versehen.
Zwischen der Laminatrückseite 4 und der reflektierenden Oberfläche 7 ist somit ein Fluidkanal 17 gebildet, welcher ein Wärmeträgermedium führen kann. An der ersten Ebene 15 des Hutprofils 14 kann hier ein Wärmeübergang zu einem Wärmeträgermedium stattfinden. Ferner kann auch seitlich ein Wärmeübergang von dem thermischen Kontakt 13 auf das Wärmeträgermedium stattfinden.
Beispielsweise kann der Fluidkanal 17 als Öffnung für eine Konvektionskühlung dienen und dabei Luft als Wärmeträgermedium führen. Es kann aber auch ein Fluid als Wärmeträgermedium in dem Fluidkanal 17 geführt werden.
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
Die Struktur 5 ist hier ebenfalls mit einem Hutprofil 14 gebildet, wobei zusätzliche Fluidkanäle 17 in dem jeweiligen durch die Solarzellen 2 verdeckten Bereich 12 vorgesehen sind.
In den von den Solarzellen 2 verdeckten Bereich 12 ist dementsprechend die zweite Ebene 16 des Profils mit einem zusätzlichen Abschnitt der ersten Ebene 15 zur Ausbildung eines Fluidkanals unterbrochen.
Somit ist es ermöglicht, das Laminat 3 bzw. die Solarzellen 2 in den durch die Solarzellen 2 verdeckten Bereichen 12 über einen direkten Kontakt an der Laminatrückseite 4 mit einem Wärmeträgermedium, welches in dem Fluidkanal 17 geführt werden kann, zu kühlen.
5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem vierten Ausführungsbeispiel gemäß 4, wobei hier zusätzlich ein transparentes Füllmedium in den Fluidkanälen 17 vorgesehen ist. Dieses transparente Füllmedium kann beispielsweise ein in der Struktur geführtes Wärmeträgerfluid sein.
Denkbar wäre auch zumindest teilweise eine transparente Füllung aus Silikon oder EVA (Ethylenvinylacetat) in den Fluidkanälen 17 vorzusehen. Diese kann optional oder zusätzlich zur Abdichtung des Solarmoduls eingesetzt werden. In diesem Fall kann es sich auch um eine feste transparente Füllung handeln.
Falls dabei alle direkt an die Laminatrückseite angrenzenden Fluidkanäle 17 mit einer festen transparenten Füllung gefüllt sind, können die dazu parallel versetzten, nicht direkt mit der Laminatrückseite Kontakt stehenden Kanäle des Profils dennoch zum Führen des Wärmeträgermediums verwendet werden.
Ferner wäre es denkbar, nur nahe des transparenten Bereichs 8 eine feste transparente Füllung im ersten Abschnitt der Struktur zur Sicherstellung gewünschter Reflexionseigenschaften, beispielsweise mit einem gewünschten Brechungsindex, vorzusehen. In dem durch die Solarzellen 2 verdeckten Bereich 12 kann dabei hingegen das Wärmeträgermedium zur Kühlung bzw. zum Wärmetausch geführt werden.
6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls 1 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen ist hier die Struktur 5 mit einer parallel zur Laminatrückseite 4 verlaufenden Rückplatte 18 gebildet.
Die Oberfläche der Rückplatte 18 bildet hier gleichzeitig die reflektierende Oberfläche 7. vorzugsweise ist die Rückplatte 18 aus Glas gebildet.
Ein Fluidkanal 17' ist von der Laminatrückseite 4 und der Rückplatte 18 begrenzt. Des Weiteren ist der Fluidkanal von seitlichen Dichtungen 22 begrenzt. Somit ist ein Fluidkanal 17' gebildet, welcher sich über einen Großteil der Fläche des Solarmoduls 1 erstreckt.
7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls 1 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zum sechsten Ausführungsbeispiel gemäß 6 sind hier zusätzlich Abstandselemente 20 vorgesehen, die zwischen der Laminatrückseite 4 und der Rückplatte 18 angeordnet sind. Die Abstandselemente 20 definieren und halten einen zwischen der Laminatrückseite 4 und der Rückplatte 18 liegenden vorbestimmten Abstand.
Ferner sind die Abstandselemente 20 hier als Dichtungselement ausgebildet und begrenzen so zwischen der Laminatrückseite 4 und der Rückplatte 18 liegende Fluidkanäle 17''.
Alternativ können die Abstandselemente 20 auch lediglich lokal vorgesehen sein und lediglich als mechanische Stütze dienen, ohne dabei Fluidkanäle zu begrenzen.
Darüber hinaus können die Abstandselemente 20 optional oder zusätzlich als Wärmeleitungselemente ausgebildet sein, um eine vergrößerte Oberfläche, die mit einem in dem Fluidkanal 17'' geführten Wärmeträgermedium in Kontakt steht, bereitzustellen.
8 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einem achten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zum sechsten und siebten Ausführungsbeispiel liegt hier die Rückplatte 18 direkt an der Laminatrückseite 4 auf.
In die Rückplatte 18 sind Nuten 19 zur Bildung von Fluidkanälen 17''' eingebracht.
Eine nahe des transparenten Bereichs 8 angeordnete Nut 19 bildet dabei den ersten Abschnitt 6 der Struktur 5 und ist an ihrem Nutgrund mit einer reflektierenden Oberfläche 7 versehen.
Weitere Nuten 19 sind ferner in dem zweiten Abschnitt 11 der Struktur 5 vorgesehen.
In den Nuten 19 bzw. Fluidkanälen 17''' ist ein transparentes Füllmedium vorgesehen. Vorzugsweise handelt es sich dabei um das Wärmeträgermedium in Form eines Wärmeträgerfluids.
In dem durch die Solarzellen 2 verdeckten Bereich 12 wird so ein Wärmeträgermedium zur Kühlung der Solarzellen 2 bzw. zum Wärmetausch in den Fluidkanälen 17''' geführt.
Falls das Wärmeträgermedium volltransparent ist, kann auch der ersten Abschnitt 6 der Struktur 5 zur Führung des Wärmeträgermediums dienen.
Bei einer weiteren Ausführung wäre es denkbar, im ersten Abschnitt 6 der Struktur 5 nahe des transparenten Bereichs 8 stattdessen eine feste transparente Füllung der Nut 19 zur Sicherstellung gewünschter Reflexionseigenschaften, beispielsweise mit einem gewünschten Brechungsindex, vorzusehen.
9 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen weist die Struktur 5 hier Leitungen 20 auf, welche in einer transparenten Einkapselung 21 vorgesehen sind. Insbesondere sind die Leitungen 20 in die transparente Einkapselung 21 eingebettet vorgesehen.
Die transparente Einkapselung 21 schließt direkt an die Laminatrückseite 4 an.
Die Leitungen 20 sind rund und zum Führen eines Wärmeträgermediums ausgebildet. Eine nach dem transparenten Bereich 8 des Laminat 3 angeordnete Leitung 20 ist dabei als erster Abschnitt 6 der Struktur 5 ausgebildet und weist dazu eine reflektierende Oberfläche 7 auf.
Aufgrund der Krümmung der reflektierenden Oberfläche 7 wird darauf einfallendes Licht 9 in verschiedene Richtungen reflektiert. Hierbei kann es sich insbesondere um Totalreflexion handeln, da die gekrümmte reflektierende Oberfläche 7 bereits eine Streuung des reflektierten Lichts 9 bereitstellt.
10 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel.
Die Struktur 5 ist hier mit einer Einkapselung 21' gebildet, welche mit einem geschäumten weißen Kunststoff gebildet ist. Beispielsweise handelt es sich um Polyurethan-Hartschaum oder Polystyrolschaum. Die Einkapselung 21' ist hier somit intransparent und bildet nahe des transparenten Bereichs 8 des Laminats 3 selbst den ersten Abschnitt 6 der Struktur aus.
Die reflektierende Oberfläche 7 ist dabei ebenfalls mit der Einkapselung selbst gebildet, welche aufgrund ihrer weißen Farbe einen hohen Reflexionsgrad, insbesondere zu diffusen Reflexion, bereitstellt. Ein solcher Reflexionsgrad liegt beispielsweise über 50%, vorzugsweise über 80%. Zur Einstellung, insbesondere Erhöhung, des Reflexionsgrades können gegebenenfalls Pigmente in dem geschäumten weißen Kunststoff beigemischt sein. Alternativ kann ein bereits nativ stark reflektierender geschäumter weißer Kunststoff eingesetzt werden. Insbesondere kann es sich dabei um Polystyrolschaum handeln, der auch ohne Pigmentzusatz eine bereits einen hohe Reflexionsgrad von >90% aufweist.
Die Leitungen 20 können entweder in die Einkapselung 21' eingebettet vorgesehen sein oder direkt mit der Einkapselung 21' selbst geformt sein.
Im Falle direkt mit der Einkapselung geformter Leitungen 20 führen diese vorzugsweise Luft als Wärmeträgermedium und werden dementsprechend von der Luft durchströmt.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Beispielsweise können Anschlüsse für eine spätere Verrohrung für das Wärmeträgermedium in der Einbettung mit eingespritzt vorgesehen sein.
Ferner kann das Solarmodoul im Falle einer mit einem geschäumten weißen Kunststoff geformten Struktur gleichzeitig als Dachisolationsmaterial, insbesondere zur Wärme/Kältedämmung dienen. Dies ist insbesondere bei sogenannten Indachlösungen eines Solarmoduls, wobei das Solarmodul die Dacheindeckung ersetzt, vorteilhaft.
Bezugszeichenliste

1: Solarmodul
2: Solarzelle
3: Laminat
4: Laminatrückseite
5: Struktur
6: erster Abschnitt
7: reflektierende Oberfläche
8: transparenter Bereich
9: Licht
10: Rückseite
11: zweiter Abschnitt
12: verdeckter Bereich
13: thermischer Kontakt
14: Hutprofil
15: erste Ebene
16: zweite Ebene
17–17''': Fluidkanal
18: Rückplatte
19: Nut
20: Abstandselement
21; 21': Einkapselung
22: seitliche Dichtung
23: Randbereich
24; 25: Deckscheibe
26: Einbettungsmaterial
27: Kollektorelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007022164 A1 [0005]
DE 202015102238 U1 [0064]

Claims

Solarmodul (1), insbesondere hybrides Photovoltaik-Solarthermie-Modul, mit zumindest zwei benachbarten Solarzellen (2), welche zumindest abschnittsweise bifacial ausgebildet und in ein transparentes Laminat (3) eingebettet sind, wobei das Laminat (3) eine Laminatrückseite (4) aufweist, an welcher eine zum Führen eines Wärmeträgermediums ausgebildete Struktur (5) vorgesehen ist, wobei ein der Laminatrückseite (4) zugewandter erster Abschnitt (6) der Struktur eine reflektierende Oberfläche (7) aufweist und angeordnet ist, um auf das Solarmodul (1) einfallendes Licht, welches nicht direkt auf die Solarzellen (2) trifft, zu reflektieren.
Solarmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen und/oder neben den Solarzellen ein transparenter Bereich (8) vorgesehen ist, wobei der erste Abschnitt (6) der Struktur in den transparenten Bereich (8) einfallendes Licht (9) zumindest teilweise an eine Rückseite (10) der Solarzellen (2) reflektiert.
Solarmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (6) der Struktur (5) von der Laminatrückseite (4) beabstandet angeordnet ist und parallel zu der Laminatrückseite verläuft.
Solarmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Abschnitt (11) der Struktur (5) vorgesehen ist, welcher in einem durch die Solarzellen (2) verdeckten Bereich (12) angeordnet ist und welcher mit einem thermischen Kontakt (13) zu der Laminatrückseite (4) vorgesehen ist.
Solarmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (5) zumindest teilweise mit einem Hutprofil (14) gebildet ist und einen zumindest teilweise mit dem Hutprofil begrenzten Fluidkanal (17) aufweist.
Solarmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Ebene (15) des Hutprofils (14) den ersten Abschnitt (6) der Struktur bildet und eine zweite Ebene (16) des Hutprofils (14), die parallel zu der ersten Ebene (15) verläuft, zumindest teilweise den zweiten Abschnitt (11) der Struktur (5) bildet.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest der zweite Abschnitt (11) der Struktur als solarthermisches Kollektorelement (27) ausgebildet ist.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (6) der Struktur (5) mit einer parallel zur Laminatrückseite (4) verlaufenden Rückplatte (18) gebildet ist, wobei ein Fluidkanal (17') von der Rückplatte (18) und von der Laminatrückseite (4) begrenzt ist.
Solarmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die Rückplatte eine Nut (19) eingebracht ist, die den Fluidkanal (17''') bildet, insbesondere mehrere Nuten (19) eingebracht sind, welche je einen Fluidkanal (17''') bilden.
Solarmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Laminatrückseite (4) und der Rückplatte (18) Abstandselemente (20) vorgesehen sind, die einen dazwischenliegenden Abstand definieren.