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WO2019228591A1 - Kühlvorrichtung - Google Patents

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WO2019228591A1
WO2019228591A1 PCT/DE2019/100464 DE2019100464W WO2019228591A1 WO 2019228591 A1 WO2019228591 A1 WO 2019228591A1 DE 2019100464 W DE2019100464 W DE 2019100464W WO 2019228591 A1 WO2019228591 A1 WO 2019228591A1
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WO
WIPO (PCT)
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cooling device
plate
cooling
thin sheet
cover plate
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/DE2019/100464
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Hornig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BPE EK
Original Assignee
BPE EK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BPE EK filed Critical BPE EK
Publication of WO2019228591A1 publication Critical patent/WO2019228591A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S40/00—Safety or protection arrangements of solar heat collectors; Preventing malfunction of solar heat collectors
    • F24S40/50—Preventing overheating or overpressure
    • F24S40/55—Arrangements for cooling, e.g. by using external heat dissipating means or internal cooling circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
    • H02S10/30—Thermophotovoltaic systems
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    • H02S20/00—Supporting structures for PV modules
    • H02S20/30—Supporting structures being movable or adjustable, e.g. for angle adjustment
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/40—Thermal components
    • H02S40/42—Cooling means
    • H02S40/425—Cooling means using a gaseous or a liquid coolant, e.g. air flow ventilation, water circulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/02—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effects; using Nernst-Ettinghausen effects
    • F25B2321/023—Mounting details thereof
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a cooling device for cooling z. B. of Fotovoltaikmodu- len a solar energy system.
  • photovoltaic modules or the solar cells used therein show a temperature dependence of the power generation. From a threshold temperature of about 30 ° C, a so-called “voltage drop” occurs, d. that is, the voltage generated by the solar cell drops, with a temperature increase of 1 K resulting in a power loss of 1%. This power loss in the event of strong heating can be counteracted by cooling the solar cells; in the case of floating photovoltaic modules, the use of the water as a cooling medium is an option.
  • thermothermal transducers thermo generators
  • DE 36 19 327 A1 discloses a buoyant solar system with combined photon and heat energy conversion is disclosed, the top is provided with semiconductor photoelements and their underside is located below the water surface during operation. Between the hot, solar-facing upper side and the water-cooled lower side there are thermal generators for obtaining electrical energy from the heat energy flow due to the temperature gradient.
  • the disadvantage is that the float is made of a material of high thermal insulation. This requires that the thermoelectric generator elements are exposed to direct water contact at least on one side. On the other hand, direct cooling of the photovoltaic elements by the water is not possible.
  • Known from DE 10 2011 051 507 A1 is also a solar device with a Fotovoltaik- and a Peltier element, wherein on the cold contact surface of the Peltier element a heat sink can be mounted from metallic material.
  • thermogenerators or Peltier elements of the increased equipment expense is disadvantageous.
  • electrical energy is required for operation of the Peltier elements.
  • the object of the invention is to provide a robust and compact cooling device for example photovoltaic elements or thermoelectric generator elements of a solar system, which has a comparison with the prior art improved cooling performance, and it should be inexpensive to produce and install with little effort.
  • the cooling device is designed substantially plate-shaped. It comprises a cooling plate, which is sandwiched, comprising a cover plate, a bottom plate and an arranged between these two and with at least one of these materially connected thin sheet structure.
  • the cooling plate consists of a highly thermally conductive material, preferably of a metallic material, for example of aluminum, an aluminum alloy, a titanium alloy or another light metal alloy.
  • the thin sheet structure disposed between the cover plate and the bottom plate may be, for example, a corrugated iron structure, a honeycomb structure, a spiral structure, a meander structure, or a metal foam (open or closed-cell).
  • the cooling plate is waterproof, d. H.
  • a circumferentially closed band connects the top plate to the bottom plate, or one or more watertight cavities are formed by the thin plate structure itself.
  • the cooling device further comprises at least one fastening element for fastening the cooling plate to z.
  • the cooling device is not limited to a single fastener, but may also include a plurality of fasteners.
  • the fastener may be configured like a clip, wherein a first clamping contact plate with the element to be cooled, for. B. the photovoltaic cell, frictionally connectable and a second clamping contact plate with z. B. the Bodenplat- te the cooling plate is connected or connectable.
  • the second clamping contact plate can also be omitted, in which case the cover plate acts as a second clamping contact plate.
  • At least the clamping contact plate to be brought into contact with the element to be cooled may have one or more spring elements or be connected to those which pull the clamping contact plate in the direction of the cover plate, d. H.
  • the terminal contact plate may be connected to a screw or a threaded rod and at least one nut, so that a distance between the cooling plate and clamping contact plate is changeable by actuation of the screw or the threaded rod or the nut.
  • the fastening element can also be configured in the form of screws and eyelets or through holes arranged in the cooling plate on the cooling plate, so that the cooling device can be screwed to the element to be cooled or a supporting structure thereof.
  • the fastener can take a thermal adhesive around; for example in the form of a layer of a thermally conductive adhesive.
  • One of the main advantages of the cooling device according to the invention is its robust construction and the possibility of - even subsequent - assembly with only a small technical effort to z. B. a solar system.
  • the cooling plate of the cooling device can be used as a floating body, so that the mounted on the cooling element to be cooled drive or float in a cooling water reservoir, in addition by the cooling water, the dissipated heat is quickly and effectively transported away.
  • the cooling plate may be a plate made of an aluminum material which is anodized to improve its weatherability, except for the area of its surface facing the element to be cooled.
  • the anodized coating protects against corrosive influences and improves the resistance to wear (which can occur, for example, due to dust, sand, sludge or salt deposits).
  • thermoelectric generator element has, in a basically known manner, a cold contact surface which is to be brought into contact with a heat sink, and a hot contact surface which is to be brought into contact with a heat source.
  • the thermoelectric generator element is thermally contacted at its cold contact surface with the cover plate of the cooling plate, d. That is, heat flows can pass unimpeded through the interface between the thermoelectric generator element and the cooling plate.
  • the thermal contact between the cold contact surface and the cover plate can be produced, for example, by means of a wafer-thin layer of thermal compound introduced between the thermoelectric generator element and the cooling plate.
  • thermoelectric generator element With its hot contact surface, the thermoelectric generator element with the element to be cooled, for. B. a photovoltaic cell, connectable.
  • the cooling device may comprise a control and regulation unit which is coupled to the thermoelectric generator element.
  • the control and regulation unit can be set up to apply an electrical voltage to the thermogenerator element so that the thermo-generator element functions as an actively operated heat sink.
  • the control and regulation unit can be set up to pick up electrical voltage generated by the thermoelectric generator element, which arises due to a temperature difference between the hot contact surface and the cold contact surface of the thermoelectric generator element.
  • the heat supply is used in the thermogenerator element for energy production.
  • the control and regulation unit can be set up so that the electrical energy generated in the thermoelectric generator element of the cooling device is made available to an external consumer at a constant voltage or supplied to a power grid.
  • thermoelectric generator elements thus extends to any changes in temperature due to weather, day / night or season and usually leads to a 24-hour energy production.
  • the coupled to the thermoelectric element cooling device may also on the hot contact surface of the thermal generator element have a firmly screwed fine sheet metal support, which preferably consists of an aluminum material.
  • thermovoltaic energy generation by means of thermogenerator element at the cooling device, a Fresnell lens for the optical amplification of the sun's radiation can furthermore be provided warm on the contact surface side on the thermogenerator element.
  • the flooding chambers formed in the floatable cooling plate are filled with a thermally conductive gas.
  • the cavities are partially or completely filled with a heat storage medium.
  • the heat energy stored in the heat storage medium can advantageously be utilized, for example, by means of thermogenerators, so that it is possible to generate electrical energy during the entire 24 hours of a day.
  • the invention can be configured such that heat pipes in the form of so-called heatpipes are arranged in the cooling plate between cover plate and base plate.
  • a heat pipe encloses each a heat transfer surface for heat source and sink.
  • the heat transfer surface for the heat source is in thermal contact with the cover plate of the cooling plate, the heat transfer surface for the heat sink with the bottom plate.
  • As a working medium water or ammonia may be used.
  • the number or distribution of the heat pipes within the cooling plate is preferably such that the cooling device is floatable, d. That is, the cavities within the cooling plate are sufficient that the force of lift in water exceeds the weight of the cooling device.
  • the thin sheet structure disposed between the cover plate and the bottom plate comprises a (open or closed-cell) metal foam, wherein the pore size, i. H. the average diameter of the pores increases continuously in the direction from the top plate to the bottom plate. Due to smaller pores in the area of the cover plate, i. H. Higher number of webs, the heat dissipation is improved in an advantageous manner.
  • the cooling device can be used for cooling photovoltaic elements or modules - also in conjunction with the already disclosed thermogenerator elements.
  • the electrical current generated by means of the photovoltaic and / or the thermoelectric generator elements can be used, for example, in an electrolysis cell for generating gas.
  • hydrogen gas and oxygen gas can be produced by means of the electrolysis cell from an aqueous solution. This C02-free gas production can be carried out continuously over 24 hours.
  • gas production can take place directly in the treatment medium, with the gases particularly effectively supporting the water treatment reactions due to their high reactivity at the stage of formation.
  • the costs for water treatment can be significantly reduced, since the purchase of additional electrical energy and oxygen gas as well as the installation of a pump and piping system for the introduction of the oxygen gas can be omitted.
  • the electrolytically generated gases hydrogen and oxygen can also be used as fuel for fuel cells.
  • the cooling plate according to the invention can also be used for direct cooling of the electrolysis cells, fuel cells, but also of batteries, in particular Li-ion batteries for electric vehicles, or electronic systems.
  • thermoelectric generator elements can be fed back to the batteries, for example, by means of a charge control and prolongs the range of battery-operated electric vehicles.
  • the versatility of the disclosed cooling plate also extends to building or architectural components as well as structural elements of transportation equipment in the field of land, aerospace and spacecraft technology.
  • Fig. 1 a cooling device in a sloping plan view
  • Fig. 2 embodiments of the thin sheet structure.
  • the cooling device according to FIG. 1 comprises the buoyant cooling plate 1, the three fastening elements 2, the thermoelectric generator element 3 and the control and regulation unit 5.
  • the cooling plate 1 made of a seawater-resistant AlMg alloy encloses the cover plate 1.1 connected to the thermo-generator element 3 and the bottom plate 1.2.
  • the fastening elements 2 comprise the clamping contact plate 2.1, which is height-adjustable, d. H. by means of the threaded rod 2.2 in the direction of or away from the thermoelectric generator element 3 is movable.
  • thermoelectric generator element 3 is mounted flat on the cover plate 1.1, wherein it contacts the same with its cold contact surface 3.1. Between the cold contact surface 3.1 and the cover plate 1.1, a thin layer of silicone oil thermal compound 4 with silver particles is introduced. At the hot contact surface 3.2 of the Thermogeneratorel- ementes 3, the element to be cooled (not shown) can be attached.
  • thermoelectric generator element 3 is connected to the control and regulation unit 5 by means of the electrical conductors 6.
  • FIG. 2 shows different variants of the thin sheet structure 1.3 of the cooling plate 1, namely a honeycomb structure (a), a meander structure (b) and a corrugated sheet structure (c).
  • control unit 6 electrical conductors

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine robuste und kompakte Kühlvorrichtung für Solaranlagen. Die Kühlvorrichtung, die eine aus einem metallischen Werkstoff bestehende Kühlplatte (1 ) und mindestens ein Befestigungselement (2) umfasst, besitzt einen wasserdichten Sandwichaufbau mit einer Deckplatte (1.1 ), einer Bodenplatte (1.2) und einer zwischen diesen beiden angeordneten Dünnblechstruktur (1.3). Die Kühlplatte eignet sich zur Kühlung von Fotovoltaikelementen, Thermogeneratorelementen, Batterien, Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen.

Description

Kühlvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für die Kühlung z. B. von Fotovoltaikmodu- len einer Solarenergieanlage.
Die dezentrale Erzeugung elektrischer Energie ist in Entwicklungs- und Schwellen- ländern weit verbreitet; eine Alternative zu den verbrennungsmotorgetrieben Genera- toren stellt dabei die Nutzung der Sonnenenergie dar. Insbesondere in der Gewäs- serwirtschaft, zum Beispiel in Fisch- und Krustentierfarmen, besteht ein erheblicher Energiebedarf für die Gewässerreinigung, der umweltfreundlich und kostengünstig mittels Fotovoltaik und elektrothermischer Wandler gedeckt werden kann.
Es ist bekannt, dass Fotovoltaikmodule bzw. die darin verwendeten Solarzellen eine Temperaturabhängigkeit der Stromerzeugung zeigen. Ab einer Schwellentemperatur von ca. 30 °C tritt ein sogenannter„Voltage Drop“ ein, d. h., die mit der Solarzelle er- zeugte Spannung fällt ab, wobei eine Temperaturerhöhung von 1 K etwa einen Leis- tungsverlust von 1 % nach sich zieht. Diesem Leistungsverlust bei starker Erwär- mung kann durch Kühlung der Solarzellen entgegengewirkt werden; im Fall schwim- mender Fotovoltaikmodule bietet sich die Nutzung des Gewässers als Kühlmedium an.
Zudem besteht die Möglichkeit bei rückseitig gekühlten Solaranlagen aus der Tem- peraturdifferenz zwischen der erhitzten Oberseite und der gekühlten Unterseite Energie mittels elektrothermischer Wandler (Thermogeneratoren) zu gewinnen.
In DE 36 19 327 A1 ist eine schwimmfähige Solaranlage mit kombinierter Photonen- und Wärmeenergiekonversion offenbart, deren Oberseite mit Halbleiterfotoelementen versehen ist und deren Unterseite sich bei Betrieb unterhalb der Wasseroberfläche befindet. Zwischen der heißen, der Sonneneinstrahlung zugewandten Oberseite und der wassergekühlten Unterseite befinden sich Thermogeneratoren zur Gewinnung von elektrischer Energie aus dem durch den Temperaturgradienten bedingten Wär- meenergiefluss. Nachteilig ist, dass der Schwimmkörper aus einem Material hoher Wärmedämmung hergestellt ist. Dies erfordert, dass die Thermogeneratorelemente zumindest einseitig direktem Wasserkontakt ausgesetzt sind. Andererseits ist eine direkte Kühlung der Fotovoltaikelemente durch das Wasser nicht möglich. Bekannt aus DE 10 2011 051 507 A1 ist außerdem eine Solarvorrichtung mit einem Fotovoltaik- und einem Peltierelement, wobei an der Kaltkontaktfläche des Peltier- elementes ein Kühlkörper aus metallischem Werkstoff angebracht sein kann.
An einer Kühlung unter Verwendung von Thermogeneratoren bzw. Peltierelementen ist der erhöhte gerätetechnische Aufwand nachteilig. Zusätzlich ist elektrische Ener- gie für einen Betrieb der Peltierelemente erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine robuste und kompakte Kühlvorrichtung für bei- spielsweise Fotovoltaikelemente oder Thermogeneratorelemente einer Solaranlage bereitzustellen, die eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Kühlleistung aufweist, wobei sie kostengünstig herstellbar und mit wenig Aufwand montierbar sein soll.
Nach Maßgabe der Erfindung ist die Kühlvorrichtung im Wesentlichen plattenförmig gestaltet. Sie umfasst eine Kühlplatte, die sandwichartig aufgebaut ist, aufweisend eine Deckplatte, eine Bodenplatte und eine zwischen diesen beiden angeordnete und mit wenigstens einer von diesen stoffschlüssig verbundene Dünnblechstruktur.
Die Kühlplatte besteht aus einem hoch-wärmeleitfähigem Werkstoff, vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, zum Beispiel aus Aluminium, einer Aluminiumle- gierung, einer Titanlegierung oder einer anderen Leichtmetalllegierung.
Die zwischen Deckplatte und Bodenplatte angeordnete Dünnblechstruktur kann zum Beispiel eine Wellblechstruktur, eine Honigwabenstruktur, eine Spiralstruktur, eine Mäanderstruktur oder ein (offen- oder geschlossenporiger) Metallschaum sein.
Bevorzugt ist die Kühlplatte wasserdicht, d. h. im Bereich der Ränder von Deck- und Bodenplatte verbindet ein umlaufend geschlossenes Band die Deck- mit der Boden- platte, oder von der Dünnblechstruktur selbst werden ein oder mehrere wasserdichte Hohlräume ausgebildet.
Die Kühlvorrichtung umfasst weiterhin wenigstens ein Befestigungselement zur Be- festigung der Kühlplatte an z. B. einer Fotovoltaikzelle einer Solaranlage. Im Folgenden wird jeweils nur ein Befestigungselement beschrieben; die Kühlvorrich- tung ist jedoch nicht auf ein einzelnes Befestigungselement beschränkt, sondern kann auch mehrere Befestigungselemente umfassen.
Das Befestigungselement kann klammerartig ausgestaltet sein, wobei eine erste Klemmkontaktplatte mit dem zu kühlenden Element, z. B. der Fotovoltaikzelle, kraft- schlüssig verbindbar ist und eine zweite Klemmkontaktplatte mit z. B. der Bodenplat- te der Kühlplatte verbunden oder verbindbar ist. Die zweite Klemm kontaktplatte kann auch entfallen, wobei in diesem Fall die Deckplatte als zweite Klemm kontaktplatte fungiert.
Zumindest die mit dem zu kühlenden Element in Kontakt zu bringende Klemmkon- taktplatte kann ein oder mehrere Federelemente aufweisen oder mit solchen verbun- den sein, die die Klemm kontaktplatte in Richtung zu der Deckplatte ziehen, d. h. die Kühlplatte im eingebauten Zustand der Kühlvorrichtung gegen das zu kühlende Ele- ment pressen. Alternativ oder zusätzlich kann die Klemmkontaktplatte mit einer Schraube oder einem Gewindestab und wenigstens einer Mutter verbunden sein, sodass durch Betätigung der Schraube oder des Gewindestabs bzw. der Mutter ein Abstand zwischen Kühlplatte und Klemm kontaktplatte veränderbar ist.
Das Befestigungselement kann auch in Form von Schrauben und an der Kühlplatte angeordneten Ösen bzw. Durchgangsbohrungen in der Kühlplatte ausgestaltet sein, sodass die Kühlvorrichtung an dem zu kühlenden Element bzw. einer Tragkonstruk- tion desselben angeschraubt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann das Befestigungselement einen Wärmeleitkleber um fassen; beispielweise in Form einer Schicht eines wärmeleitfähigen Klebstoffs.
Einer der wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist ihr robus- ter Aufbau und die Möglichkeit zur - auch nachträglichen - Montage mit nur geringem technischem Aufwand an z. B. einer Solaranlage.
Weiterhin ist aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Metalls gewährleistet, dass ein hoher Wärmestrom durch die Kühlvorrichtung abführbar ist. Durch die wasserdichte Ausführung der Kühlplatte der Kühlvorrichtung kann sie als Schwimmkörper genutzt werden, sodass das auf die Kühlvorrichtung montierte zu kühlende Element in einem Kühlwasserreservoir treiben bzw. schwimmen kann, wo- bei zusätzlich durch das Kühlwasser die abzuführende Wärme schnell und effektiv abtransportierbar ist.
Die Kühlplatte kann eine Platte aus einem Aluminiumwerkstoff sein, die zur Verbes- serung der Witterungsbeständigkeit, mit Ausnahme des dem zu kühlenden Element zugewandten Bereiches ihrer Oberfläche, eloxiert ist. Die Eloxalschicht schützt vor korrodierenden Einflüssen und verbessert den Widerstand gegen Verschleiß (der zum Beispiel aufgrund von Staub-, Sand-, Schlamm- oder Salzablagerungen auftre- ten kann).
Die Erfindung kann weiter derart ausgebildet sein, dass sie ein Thermogeneratorel- ement umfasst. Ein Thermogeneratorelement weist in grundsätzlich bekannter Weise eine Kaltkontaktfläche, die mit einer Wärmesenke in Kontakt zu bringen ist, und eine Warm kontaktfläche, die mit einer Wärmequelle in Kontakt zu bringen ist, auf. Gemäß der Erfindung ist das Thermogeneratorelement an seiner Kaltkontaktfläche mit der Deckplatte der Kühlplatte thermisch kontaktierend verbunden, d. h., Wärmeströme können ungehindert die Grenzfläche zwischen Thermogeneratorelement und Kühl- platte passieren. Der thermische Kontakt zwischen der Kaltkontaktfläche und der Deckplatte ist beispielsweise mittels einer zwischen Thermogeneratorelement und Kühlplatte eingebrachten, hauchdünnen Schicht einer Wärmeleitpaste herstellbar.
Mit seiner Warmkontaktfläche ist das Thermogeneratorelement mit dem zu kühlen- den Element, z. B. einer Fotovoltaikzelle, verbindbar.
Gemäß dieser Ausführungsform kann die Kühlvorrichtung eine Steuerungs- und Re- gelungseinheit umfassen, die mit dem Thermogeneratorelement gekoppelt ist.
Die Steuerungs- und Regelungseinheit kann eingerichtet sein, das Thermogenerato- relement mit einer elektrischen Spannung zu beaufschlagen, sodass das Thermoge- neratorelement als eine aktiv betriebene Wärmesenke fungiert. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungs- und Regelungseinheit eingerichtet sein, von dem Thermogeneratorelement erzeugte elektrische Spannung abzugreifen, die aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen der Warm kontaktfläche und der Kaltkontaktfläche des Thermogeneratorelements entsteht. In dieser Ausführung der Erfindung wird die Wärmezufuhr in das Thermogeneratorelement zur Energieerzeu- gung genutzt. Insbesondere kann die Steuerungs- und Regelungseinheit eingerichtet sein, dass die in den Thermogeneratorelement der Kühlvorrichtung erzeugte elektri- sche Energie mit einer konstanten Spannung einem externen Verbraucher zur Ver- fügung gestellt oder einem Stromnetz zugeführt wird.
Auch bei Richtungsänderung des Wärmeflusses am Thermogeneratorelement, näm- lich dann, wenn die gewöhnlich der Sonnenseite zugekehrte Warm kontaktfläche auf- grund tageszeit- oder witterungsbedingter Effekte, eine geringere Temperatur als die Kaltkontaktfläche aufweist und sich somit die Polarität der erzeugten Gleichspannung am Thermogeneratorelement umkehrt, kann bei entsprechender Steuerung bzw. Re- gelung die hierbei erzeugte elektrische Energie genutzt werden.
Die Energieausnutzung der mit Thermogeneratorelementen kombinierten Kühlvor- richtung erstreckt sich folglich auf jegliche durch Wetter, durch Tages-/Nachtzeit oder durch Jahreszeit bedingte Temperaturänderungen und führt im Regelfall zu einer 24 Stunden andauernden Energieproduktion.
Die mit dem Thermogeneratorelement gekoppelte Kühlvorrichtung kann zudem auf der Warm kontaktfläche des Thermogeneratorelements eine fest verschraubte Fein- blechauflage aufweisen, die bevorzugt aus einem Aluminiumwerkstoff besteht.
Bei Nutzung der thermovoltaischen Energieerzeugung mittels Thermogeneratorele- ment an der Kühlvorrichtung kann weiterhin warm kontaktflächenseitig am Ther- mogeneratorelement eine Fresnell-Linse zur optischen Verstärkung der Sonnenein- strahlung angebracht sein.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die in der schwimmfähigen Kühlplatte aus- gebildeten Flohlräume mit einem wärmeleitfähigen Gas gefüllt sind. Beispielsweise kann Wasserstoff (Wärmeleitfähigkeit l = 0,18 W / (m K)) oder Flelium (Wärmeleit- fähigkeit l = 0, 144 W / (m K)) eingesetzt sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass die Hohlräume teilweise oder ganz mit einem Wärmespeichermedium gefüllt sind. So kann in vorteilhafter Weise bei einem Temperaturwechsel, z.B. bei Anbruch der Nacht, die in dem Wär- mespeichermedium gespeicherte Wärmeenergie beispielsweise mittels Thermogene- ratoren genutzt werden, sodass eine Erzeugung von elektrischer Energie während der gesamten 24 Stunden eines Tages möglich ist.
Weiter kann die Erfindung derart ausgestaltet sein, dass in der Kühlplatte zwischen Deckplatte und Bodenplatte Wärmerohre in Form von sog. Heatpipes angeordnet sind. Die auf dem Prinzip der Verdampfung und Kondensation eines Arbeitsmediums basierenden Wärmerohre oder quaderförmigen Heatpipes erlauben einen hohen Wärmetransport ohne Einsatz von extern zugeführter Energie. Ein Wärmerohr um fasst je eine Wärmeübertragungsfläche für Wärmequelle und -senke. Die Wärme- übertragungsfläche für die Wärmequelle ist im thermischen Kontakt mit der Deckplat- te der Kühlplatte, die Wärmeübertragungsfläche für die Wärmesenke mit der Boden- platte. Als Arbeitsmedium kann Wasser oder Ammoniak verwendet sein.
In dieser Ausgestaltung der Erfindung ist die Anzahl bzw. Verteilung der Wärmerohre innerhalb der Kühlplatte bevorzugt derart, dass die Kühlvorrichtung schwimmfähig ist, d. h., die Hohlräume innerhalb der Kühlplatte sind ausreichend, dass die Auf- triebskraft in Wasser die Gewichtskraft der Kühlvorrichtung übersteigt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die zwischen Deckplatte und Bodenplatte angeordnete Dünnblechstruktur einen (offen- oder geschlossenporigen) Metall- schaum, wobei die Porengröße, d. h. der mittlere Durchmesser der Poren, in Rich- tung von der Deckplatte zu der Bodenplatte kontinuierlich zunimmt. Aufgrund der im Bereich der Deckplatte kleineren Poren, d. h. höheren Anzahl von Stegen, ist in vor- teilhafter Weise die Wärmeabführung verbessert.
Die Kühlvorrichtung ist verwendbar zur Kühlung von Fotovoltaikelementen oder - modulen - auch in Verbindung mit den bereits offenbarten Thermogeneratorelemen- ten. Der mittels der Fotovoltaik - und/oder der Thermogeneratorelemente erzeugte elekt- rische Strom kann beispielsweise in einer Elektrolysezelle zur Gaserzeugung genutzt werden. So ist mittels der Elektrolysezelle aus einer wässrigen Lösung insbesondere Wasserstoffgas und Sauerstoffgas herstellbar. Diese C02-freie Gaserzeugung ist kontinuierlich über 24 Stunden durchführbar.
Im Rahmen der Wasseraufbereitung kann die Gaserzeugung direkt im Aufberei- tungsmedium erfolgen, wobei die Gase aufgrund ihrer hohen Reaktivität im Entste- hungsstadium besonders effektiv die Wasseraufbereitungsreaktionen unterstützen. Die Kosten für die Wasseraufbereitung können hierdurch deutlich gesenkt werden, da der Zukauf von zusätzlicher elektrischer Energie und Sauerstoffgas ebenso wie die Installation eines Pumpen- und Rohrleitungsystems zur Einleitung des Sauer- stoffgases entfallen kann.
Ebenso sind die elektrolytisch erzeugten Gase Wasserstoff und Sauerstoff auch als Brennstoff für Brennstoffzellen nutzbar.
Die erfindungsgemäße Kühlplatte kann zudem zur direkten Kühlung der Elektrolyse- zellen, Brennstoffzellen, aber auch von Batterien, insbesondere Li-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge, oder Elektroniksystemen angewendet werden.
Die durch Kühlung in Kombination mit Thermogeneratorelementen erzeugte zusätzli- che elektrische Energie kann durch eine Laderegelung zum Beispiel den Batterien wieder zugeführt werden und verlängert die Reichweite batteriebetriebener Elektro- fahrzeuge.
Die vielseitige Verwendbarkeit der offenbarten Kühlplatte erstreckt sich außerdem auf Bauelemente in Gebäuden bzw. in der Architektur ebenso wie auf Bauelemente von Transportmitteln im Bereich der Land-, Luft- und Raumfahrzeugtechnik.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
Fig. 1 : eine Kühlvorrichtung in Schrägdraufsicht, und
Fig. 2: Ausgestaltungen der Dünnblechstruktur. Die Kühlvorrichtung nach der Fig. 1 umfasst die schwimmfähige Kühlplatte 1 , die drei Befestigungselemente 2, das Thermogeneratorelement 3 und die Steuerungs- und Regelungseinheit 5.
Die aus einer seewasserbeständigen AlMg-Legierung hergestellte Kühlplatte 1 um fasst die mit dem Thermogeneratorelement 3 verbundene Deckplatte 1.1 sowie die Bodenplatte 1.2.
Die Befestigungselemente 2 umfassen die Klemmkontaktplatte 2.1 , die höhenver- stellbar ist, d. h. mittels des Gewindestabes 2.2 in Richtung zu bzw. weg von dem Thermogeneratorelement 3 bewegbar ist.
Das Thermogeneratorelement 3 ist flächig auf der Deckplatte 1.1 befestigt, wobei es dieselbe mit seiner Kaltkontaktfläche 3.1 kontaktiert. Zwischen der Kaltkontaktflä- che 3.1 und der Deckplatte 1.1 ist eine dünne Schicht Silikonöl-Wärmeleitpaste 4 mit Silberpartikeln eingebracht. An der Warm kontaktfläche 3.2 des Thermogeneratorel- ementes 3 ist das zu kühlende Element (nicht dargestellt) anbringbar.
Das Thermogeneratorelement 3 ist mittels der elektrischen Leiter 6 mit der Steue- rungs- und Regelungseinheit 5 verbunden.
Die Fig. 2 zeigt unterschiedliche Varianten der Dünnblechstruktur 1.3 der Kühlplat- te 1 , nämlich eine Honigwabenstruktur (a), eine Mäanderstruktur (b) und eine Well- blechstruktur (c).
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 Kühlplatte
1 .1 Deckplatte
1 .2 Bodenplatte
1 .3 Dünnblechstruktur
2 Befestigungselement
2.1 Klemmkontaktplatte
2.2 Gewindestab
3 Thermogeneratorelement
3.1 Kaltkontaktfläche
3.2 Warm kontaktfläche
4 Schicht Silikonöl-Wärmeleitpaste
5 Steuerungs- und Regelungseinheit 6 elektrischer Leiter

Claims

Patentansprüche
1. Kühlvorrichtung, umfassend eine Kühlplatte (1 ) und mindestens ein Befestigungs- element (2), wobei die aus einem metallischen Werkstoff bestehende Kühlplatte (1 ) einen wasserdichten Sandwichaufbau mit einer Deckplatte (1.1 ), einer Bodenplat- te (1.2) und einer zwischen diesen beiden angeordneten Dünnblechstruktur (1.3) aufweist,
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass von der Deck- platte (1.1 ), der Bodenplatte (1.2) und der zwischen diesen beiden angeordneten Dünnblechstruktur (1.3) und/oder innerhalb der Dünnblechstruktur (1.3) Hohlräume gebildet sind, wodurch die Kühlvorrichtung in Wasser schwimmfähig ist.
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein eine Kaltkontaktfläche (3.1 ) und eine Warm kontaktfläche (3.2) aufweisendes Ther- mogeneratorelement (3) umfasst, das mit seiner Kaltkontaktfläche (3.1 ) im thermi- schen Kontakt mit der Deckplatte (1.1 ) steht.
4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine mit dem Thermogeneratorelement (3) elektrisch verbundene Steuerungs- und Regelungsein- heit (5) aufweist.
5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Warm kontaktfläche (3.2) des Thermogeneratorelements (3) eine Feinblechauflage aus einem Aluminiumwerkstoff fest verschraubt angebracht ist.
6. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (1 ) aus eloxiertem Aluminiumwerkstoff ist.
7. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnblechstruktur (1.3) eine Wellblechstruktur, eine Honigwabenstruktur, eine Mäanderstruktur, eine Spiralstruktur oder ein Metallschaum ist.
8. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (1 ) zwischen Deckplatte (1.1 ) und Bodenplatte (1.2) angeordnete Wärmerohre in Form von Heatpipes aufweist.
9. Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsmedi- um der Heatpipes Wasser oder Ammoniak ist.
10. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnblechstruktur (1.3) mit der Deckplatte (1.1 ) und der Bodenplatte (1.2) verklebt ist.
11. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (1 ) eine Höhe von wenigstens 6 mm aufweist.
12. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Hohlräume, die von der Deckplatte (1.1 ), der Bodenplat- te (1.2) und der zwischen diesen beiden angeordneten Dünnblechstruktur (1.3) und/oder innerhalb der Dünnblechstruktur (1.3) gebildet sind, mit Helium oder Was- serstoff gefüllt sind.
13. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen der Deckplatte (1.1 ), der Bodenplatte (1.2) angeordnete Dünn- blechstruktur (1.3) einen Metallschaum umfasst, dessen Porengröße in Richtung von der Deckplatte (1.1 ) zu der Bodenplatte (1.2) kontinuierlich zunimmt.
14. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der von der Deckplatte (1.1 ), der Bodenplatte (1.2) und der zwischen diesen beiden angeordneten Dünnblechstruktur (1.3) und/oder innerhalb der Dünnblechstruktur (1.3) gebildeten Hohlräume zumindest teilweise mit einem wärmespeichernden Medium gefüllt sind.
15 Verwendung der Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Kühlung von Fotovoltaikelementen oder -modulen, von Batterien, von Brennstoffzellen, von Elektroniksystemen und/oder von Elektrolysezellen.
- Es folgt eine Seite Zeichnung -
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