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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungseinrichtung sowie ein Verfahren zur Übertragung von Wärme mittels der Wärmeübertragungseinrichtung. Des Weiteren ist die vorliegende Erfindung auf eine Photovoltaikanlage mit der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinrichtung sowie auf einen Plattenwärmeübertrager mit der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinrichtung gerichtet. Ergänzt wird die vorliegende Erfindung durch ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels der erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage sowie durch ein Verfahren zur Bereitstellung von Wärme mittels der erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage.
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Wärmeübertragungseinrichtungen dienen zur Übertragung von Wärme auf ein Medium, welches für gewöhnlich flüssig oder gasförmig ist. Es sind Wärmeübertrager in vielfältigsten Ausführungsformen bekannt. Sämtlichen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass bei Eintrag der Wärme in das Medium die Wärme über eine Oberfläche eines erwärmten Körpers transportiert werden muss. Zur effizienten Wärmeübertragung ist deshalb dafür zu sorgen, dass die Wärme abgebende Oberfläche derart ausgestaltet ist, dass je Zeiteinheit möglichst viel thermische Energie in das Medium übertragbar ist.
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Zu diesem Zweck sind verschiedene konstruktive Ausgestaltungen der Oberflächen geschaffen worden, wie z. B. die Anordnung einer Vielzahl von Platten oder Rippen oder auch Rohren, ggf. in Schraubenform. Sämtliche dieser herkömmlichen Wärmeübertragerkonstruktionen bedingen jedoch einen relativ hohen Volumen-, Material- und Fertigungsaufwand.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeübertragungseinrichtung sowie ein Verfahren zur Übertragung von Wärme zur Verfügung zu stellen, welche, insbesondere bei Einsatz in einer Photovoltaikanlage bzw. in einem Plattenwärmeübertrager, die effiziente Ableitung und/oder zur Bereitstellung von Wärme ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 1 sowie durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Übertragung von Wärme nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angeben. Des Weiteren wird zur Lösung der Aufgabe eine Photovoltaikanlage nach Anspruch 8 sowie ein Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 10 zur Verfügung gestellt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage ist durch Anspruch 9 beansprucht. Weiterhin werden ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie mittels der erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage nach Anspruch 11 sowie ein Verfahren zur Bereitstellung von Wärme mittels der erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage nach Anspruch 12 zur Verfügung gestellt.
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Die erfindungsgemäße Wärmeübertragungseinrichtung weist einen Fluid-Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Fluides auf, sowie wenigstens eine Oberfläche, die den Fluid-Aufnahmeraum zumindest teilweise begrenzt. Die Oberfläche umfasst wenigsten einen Bereich, der eine gemittelte Rautiefe Rz 100 bis Rz 1000 aufweist. Durch diese größere Rauheit wird eine Vergrößerung der Oberfläche zur Erhöhung der Intensität des Wärmeüberganges von der Oberfläche in ein Fluid im Fluid-Aufnahmeraum gewährleistet. Die Oberfläche wird dabei durch eine Wand bzw. durch die Außenseite eines Körpers ausgebildet, von der Wärme auf das Fluid zu übertragen ist. Die gemittelte Rautiefe ist nach DIN 4768 Teil 1 definiert. Das bedeutet, dass das arithmetische Mittel aus Einzelrautiefen aneinandergrenzender Einzelmessstrecken im Bereich zwischen 100 µm und 1000 µm liegt, wobei die Einzelrautiefe je betrachteter Einzelmessstrecke die Differenz zwischen einem jeweiligen Minimum und einem jeweiligen Maximum ist. Neben der dadurch erzeugten Vergrößerung der Oberfläche, mit der eine Erhöhung des Wärmeeintrags in das Fluid möglich ist, bewirkt die erhöhte Rauheit auch die Erzeugung von Turbulenzen eines im Fluid-Aufnahmeraum strömenden Fluides zwecks Verhinderung von Verschmutzungen bzw. Ablagerungen. Dies gilt insbesondere bei relativ hohen Temperaturen und damit einhergehender Blasenbildung, sodass die Verschmutzungsneigung geringer ist als bei glatt ausgeführten Oberflächen.
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Vorzugsweise sollte die gemittelte Rautiefe Rz 400 bis Rz 1000 betragen, auch um eine wirtschaftliche Wärmeübertragungssteigerung zu verzeichnen. Insbesondere ist der Bereich von Rz 400 bis Rz 630 zu bevorzugen, um ein Optimum hinsichtlich der Verringerung der Verschmutzungsneigung sowie der Wärmeübertragungsrate zu erzielen.
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Die raue Oberfläche kann insbesondere mittels Elektronenstrahlen, Elektroerodieren, Schleifen, mittels Laser und/oder Korrosion erzeugt sein. Das heißt, dass das Verfahren auch die Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinrichtung bzw. deren rauer Oberfläche betrifft, nämlich die Herstellung mittels Elektronenstrahlen, Elektroerodieren, Schleifen, mittels Laser und/oder mittels Korrosion.
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In einer besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die die Rauheit der rauen Oberfläche bewirkende Struktur zumindest bereichsweise durch eine Mehrzahl von Sicken ausgebildet ist. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dabei unter einer Sicke eine rinnen- bzw. wulstförmige Vertiefung oder Erhebung zu verstehen. Die Sicken verlaufen dabei im Wesentlichen parallel zueinander, vorzugsweise genau parallel zueinander. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass Gruppen von Sicken, deren Sicken jeweils unterschiedliche Ausrichtungen haben, sich schneiden, sodass erhabene oder vertieft angeordnete rechteckige Strukturelemente ausgebildet werden.
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Bei der Ausführungsform mit Sicken kann die Wärmeübertragungseinrichtung weiterhin derart ausgestaltet sein, dass der Fluid-Aufnahmeraum durch eine Mehrzahl von rauen Oberflächen begrenzt ist und die Sicken derart ausgebildet sind und damit versehene raue Oberflächen derart zueinander positioniert sind, dass Sicken der Oberflächen aneinander anliegen und sich die Oberflächen derart mechanisch aneinander abstützen. Das heißt, dass hier die Sicken als sog. „Spacer“ dienen, um die Oberflächen im Bezug zueinander zu positionieren und aneinander abzustützen. Derartige Sicken sind vorzugsweise mittels Elektronenstrahlen eingebracht. Die hier erwähnten rauen Oberflächen weisen die erfindungsgemäße Rauheit auf und sind bevorzugt plan parallel zueinander angeordnet, wobei Fluid zwischen den Oberflächen hindurchströmen kann.
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Die Sicken selbst können dabei auf ihren jeweiligen Oberflächen Strukturelemente aufweisen, die eine Sickenoberfläche mit einer gemittelten Rautiefe Rz 10 bis Rz 100 ausbilden. Neben der durch die Sicken selbst erreichten Oberflächenvergrößerung wird die Oberfläche demzufolge durch die Rauheit auf der Sickenoberfläche weiter vergrößert.
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Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zur Übertragung von Wärme mittels der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinrichtung zur Verfügung gestellt, bei dem Wärme in der Wärmeübertragungseinrichtung über die raue Oberfläche auf ein die raue Oberfläche kontaktierendes Fluid übertragen wird.
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Des Weiteren wird erfindungsgemäß eine Photovoltaikanlage zur Verfügung gestellt, welche eine erfindungsgemäße Wärmeübertragungseinrichtung aufweist, sowie wenigstens eine thermisch mit der Wärmeübertragungseinrichtung gekoppelte Solarzelle. Vorzugsweise sind mehrere thermisch mit der Wärmeübertragungseinrichtung gekoppelte Solarzellen vorgesehen. Die Wärmeübertragungseinrichtung ist derart angeordnet und eingerichtet, dass mit ihr durch Sonnenstrahlung in die Solarzelle eingetragene Wärme auf ein Fluid im Fluid-Aufnahmeraum zumindest anteilig übertragbar ist.
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Das Fluid im Fluid-Aufnahmeraum ist vorzugsweise ein Kühlmedium. Die erfindungsgemäße Wärmeübertragungseinrichtung umfasst hierbei einen Körper oder eine Schicht zwischen der Solarzelle und dem Fluid, oder aber ist durch die Solarzelle selbst ausgebildet, wobei die raue Oberfläche der Wärmeübertragungseinrichtung gegenüber der zur Sonneneinstrahlung vorgesehenen Seite angeordnet ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die raue Oberfläche eine Oberfläche einer von der Photovoltaikanlage umfassten Kunststofffolie, die die Solarzelle kontaktiert. Diese Kunststofffolie ist gegenüber der zur Sonneneinstrahlung vorgesehenen Seite an der Solarzelle angeordnet. Von der Sonne in die Solarzelle eingetragene Wärme wird dort auf die Kunststofffolie übertragen und kann dann über die raue Oberfläche auf das Fluid im Fluid-Aufnahmeraum übertragen werden, um derart die Solarzelle bzw. Solarzellen an der Rückseite zu kühlen. In alternativer Ausgestaltung wird die raue Oberfläche der Wärmeübertragungseinrichtung von der Solarzelle selbst realisiert, die mittels des Fluids als Kühlmedium an ihrer Rückseite kühlbar ist. In weiterer alternativer Ausgestaltung ist die raue Oberfläche an einem massiven Festkörper angeordnet, der die Solarzelle abstützt.
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Derart ist es möglich, mit geringem Volumen- und Materialaufwand eine Solarzelle bzw. ein komplettes Solarmodul zu kühlen. Dadurch lässt sich die Photovoltaikanlage ständig in einem Bereich einer optimalen Betriebstemperatur betreiben und somit die Effizienz der Erzeugung elektrischer Energie mittels der Photovoltaikanlage eklatant erhöhen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird weiterhin ein Plattenwärmeübertrager zur Verfügung gestellt, der eine erfindungsgemäße Wärmeübertragungseinrichtung umfasst, wobei wenigstens eine Platte und vorzugsweise alle Platten des Plattenwärmeübertragers wenigstens einseitig und vorzugsweise beidseitig zumindest bereichsweise die raue Oberfläche aufweisen. Dadurch wird ein optimaler Wärmeübergang von einem ersten Medium innerhalb des Plattenwärmeübertragers über eine jeweilige Platte und von dieser auf einem dem ersten Medium gegenüberliegend angeordneten zweiten Medium gewährleistet. Insbesondere bei der Ausgestaltung des Plattenwärmeübertragers mit die Rauheit der Oberfläche erhöhenden Sicken ist vorgesehen, dass die Sicken der Platten aneinander anliegen und sich die Platten derart mechanisch aneinander abstützen. Die Sicken können dabei Durchbrüche aufweisen, um Volumenströme zwischen den von den Sicken abgegrenzten Räumen zu ermöglichen.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anordnung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinrichtung in Plattenwärmeübertragern eingegrenzt, sondern es ist auch möglich, Spiralwärmeübertrager, Rohrwärmeübertrager, Mantelrohrwärmeübertrager, U-Rohr-wärmeübertrager oder Heiz-bzw. Kühlregister mit der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinrichtung auszugestalten.
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Es wird weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie zur Verfügung gestellt, bei dem eine erfindungsgemäße Photovoltaikanlage bereitgestellt wird, die Solarzelle bzw. Solarzellen der Photovoltaikanlagen Sonnenstrahlung ausgesetzt werden und mittels der Solarzellen Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird. Zur Realisierung einer optimalen Betriebstemperatur der Photovoltaikanlage wird diese mittels Fluid in der Wärmeübertragungseinrichtung der Photovoltaikanlage gekühlt.
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Derart lässt sich erfindungsgemäß außerdem ein Verfahren zur Bereitstellung von Wärme realisieren, bei dem auf die Photovoltaikanlage auftreffende Sonnenstrahlung zumindest teilweise in der Photovoltaikanlage in Wärme umgewandelt wird und diese Wärme über die raue Oberfläche der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinrichtung in ein Fluid übertragen wird. Dieses erwärmte Fluid lässt sich zur Nutzung der darin gespeicherten Wärme bereitstellen, sodass die Wärme z. B. zu Heizzwecken verwendet werden kann oder auch zur Erzeugung mechanischer bzw. elektrischer Energie.
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Neben der Kühlung der Photovoltaikanlage durch das Fluid ist es selbstverständlich auch möglich, die Solarzelle bzw. Solarzellen mittels Zuführung eines erwärmten Fluides auch vorzuwärmen, insofern dies erforderlich sein sollte.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen und dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigt:
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1 einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage,
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2 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertrager einer ersten Ausführungsform,
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3 einen vergrößerten Teilbereich A einer Platte des in 2 dargestellten Plattenwärmerübertragers,
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4 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertrager einer zweiten Ausführungsform.
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Zunächst wird die erfindungsgemäße Wärmeübertragungseinrichtung erläutert. Diese ist in der in der 1 dargestellten Photovoltaikanlage als Wärmeübertragunseinrichtung 10 dargestellt und umfasst eine Kunststofffolie 34 sowie einen daran angrenzenden Fluid-Aufnahmeraum 11, der auf der der Kunststofffolie 34 abgewandten Seite durch eine Gehäusewand 14 begrenzt ist. Die Kunststofffolie 34 bildet somit einen Körper 12 aus, der eine raue Oberfläche 13 aufweist. In diesen Körper 12 bzw. die Kunststofffolie 34 eingetragene Wärme Q wird über die raue Oberfläche 13 in ein Kühlmedium 35 in den Fluid-Aufnahmeraum 11 übertragen und kann durch eine Strömung im kühlen Medium 35 abtransportiert und einer weiteren Verwendung zur Verfügung gestellt werden.
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In der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers 50 ist die Wärmeübertragungseinrichtung 10 durch jeweils eine Platte 51, die hier einen Körper 12 mit der rauen Oberfläche 13 ausbildet, realisiert. Zwischen jeweils zwei Platten 51 ist ein erstes Medium 53, alternierend mit einem zweiten Medium 54 zwischen dem jeweils nächsten Plattenpaar, angeordnet. Wie aus dem Ausschnitt A, der in 3 vergrößert dargestellt ist, ersichtlich ist, sind die Platten 51 an ihren Außenseiten mit der rauen Oberfläche 13 versehen.
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Die raue Oberfläche 13 muss jedoch nicht zwingend durch die in 13 dargestellte gezackte bzw. gezahnte Struktur ausgebildet sein, sondern sie kann auch durch mehrere Sicken 52 ausgebildet sein, die vorzugsweise parallel zueinander verlaufen. Diese Sicken 52, die in 2 nicht maßstäblich dargestellt sind, können dabei die Abstützung der Platten 51 eines jeweiligen Plattenpaares aneinander übernehmen. Dadurch lassen sich in einfacher Weise Fluid-Aufnahmräume 11 zwischen diesen mittels Sicken 52 abgestützten Platten realisieren. Die Sicken 52 können dabei (hier nicht dargestellte) Durchbrüche aufweisen, um einen Volumenstrom des jeweiligen Mediums zwischen den Fluid-Aufnahmeräumen 11 zu gewährleisten.
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In der in 4 dargestellten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers 50 ist ersichtlich, dass sich auch zwei mit der rauen Oberfläche 13 versehene Platten 51 derart aneinander abstützen können, dass sich die Erhebungen der rauen Oberflächen 13 aneinander abstützen. Dadurch, dass sich aufgrund der unregelmäßigen Rauheit nur einzelne Erhebungen mechanisch kontaktieren, kann trotzdem noch das Fluid, hier dargestellt als zweites Medium 54, zwischen den Platten 51 Wärme Q über die Platten 51 aufnehmen.
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Durch die Vergrößerung der Oberfläche aufgrund der erhöhten Rauheit wird insgesamt eine größere Fläche zur Übertragung von Wärme zur Verfügung gestellt als bei herkömmlichen Wärmeübertragungseinrichtungen. Dadurch lässt sich eine Wärmeübertragung effizienter durchführen. Zudem ist insbesondere bei strömenden Fluiden an der rauen Oberfläche 13 mit einer geringeren Verschmutzungsneigung zu rechnen, da sich Turbulenzen an der rauen Oberfläche 13 ausbilden. Dies gilt insbesondere bei Blasenbildung im Fluid bei sehr hohen Temperaturen.
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Die in 1 dargestellte Photovoltaikanlage 30 umfasst die bereits beschriebene Wärmeübertragungseinrichtung 10. Die Photovoltaikanlage weist auf dem der rauen Oberfläche 13 versehen Körper 12, der hier als Kunststofffolie ausgebildet ist, die Solarzelle 33 mit üblicherweise einer Mehrzahl von Solarzellen 33 auf. Diese Solarzellen werden durch eine erste Folie 32 abgedeckt, die wiederum von einer Glasschicht 31 überlagert ist, welche die der Sonneneinstrahlung auszusetzende Außenseite der Photovoltaikanlage 30 ausbildet. Im durch die Kunststofffolie 34 und die Gehäusewand 14 ausgebildeten Fluid-Aufnahmeraum 11 ist ein Fluid 20 angeordnet, welches vorzugsweise als Kühlmedium ausgestaltet ist. Durch Sonnenstrahlung 40 in die Photovoltaikanlage 30 eingetragene Wärme Q wird von den Solarzellen 33 über die Kunststofffolie 34 sowie deren rauer Oberfläche 13 in das Kühlmedium 35 eingetragen und kann von diesem abtransportiert werden bzw. einer weiteren Verwendung zur Verfügung gestellt werden.
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Mittels der in den 2 und 4 dargestellten Ausführungsformen eines Plattenwärmeübertragers 50 lässt sich Wärme Q von einem ersten Medium 53 auf das in einem benachbarten Fluid-Aufnahmeraum 11 angeordnete zweite Medium 54 über die rauen Oberflächen 13 der dazwischen angeordneten Platten 51 effizient übertragen, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass der Volumenstrom des ersten Mediums 53 und des zweiten Mediums 54 mäanderförmig durch den jeweiligen Plattenwärmeübertrager 50 strömt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wärmeübertragungseinrichtung
- 11
- Fluid-Aufnahmeraum
- 12
- Körper
- 13
- Raue Oberfläche
- 14
- Gehäusewand
- 20
- Fluid
- 30
- Photovoltaikanlage
- 31
- Glasschicht
- 32
- Erste Folie
- 33
- Solarzelle
- 34
- Kunststofffolie
- 35
- Kühlmedium
- 40
- Sonnenstrahlung
- Q
- Wärme
- 50
- Plattenwärmeübertrager
- 51
- Platte
- 52
- Sicke
- 53
- erstes Medium
- 54
- zweites Medium
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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