CN102203958A - 光伏模块和光伏装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括至少一个光伏电池的光伏模块，该光伏电池带有受限感光范围。此外具有一种透明的容纳装置，该容纳装置覆盖光伏电池的辐射活性的上侧，并且包括具有波长移动特性的透光热载体。根据对入射的太阳光产生影响的波长移动特性调整光伏电池的受限感光范围，使得能由光伏电池利用由透光热载体转化的光。最后存在一种用于在对于光伏电池效率最佳的温度范围内尽可能使透光热载体保持恒定的部件。
Description
技术领域
本发明涉及一种光伏模块。本发明也涉及一种光伏装置，其由至少一个这样的光伏模块、但通常由大量连接在一起的光伏模块组成。
背景技术
这种类型的光伏电池、也称为太阳能电池和包括在此类型壳体中的光伏模块用于通过将光子转换为电子来产生电流。在实践中获得当前在大约5-25％范围内的效率。
效率相对较低的原因在于，常规构造类型的太阳能电池常常仅仅对于来自太阳光光谱的窄范围敏感。这种窄范围也称为光学带隙。因此仅仅可以将所属的来自穿透地球大气层的太阳光的总光谱的波长用于产生电子，而丢失其余的所有波长。因此存在例如在蓝色光的波长范围内、即在大约465nm处具有最大敏感度的太阳能电池。其它的太阳能电池又例如在绿色光的波长范围内、即在大约540nm处具有最大敏感度。但全部这些波长范围仅仅是大约380-780nm的可见光的总光谱中的一小部分。
实践中太阳能电池效率相对较低的另一个原因在于，太阳能电池的效率随温度升高而降低。因此例如硅太阳能电池的效率在温度上升10度时大约下降4.4％。在实践中这导致了例如所谓的太阳能屋顶在尽管射束集中但也温暖的夏天在并不有利的工作点上以差的效率运行。
为了解决这些问题，已知的是，构造太阳能电池，使得其对于太阳光的多于一个波长颜色敏感。因此例如在串联电池中相叠地布置多层太阳能电池，这些太阳能电池分别在光的其它波长范围内具有最大敏感度。此外可以将半导体用作所谓吸收光的导电材料、也称为ETM electron transport material，该半导体和晶体的硅电池相比更耐热，并且因此在加热时具有较小的功率下降。这种类型的半导体材料例如是砷化镓。
当然所有这种太阳能电池具有的缺点是，其制造和基于硅的电池相比明显成本更高。
发明内容
本发明的目的在于，给出一种光伏模块和由这种模块组合而成的光伏装置，该光伏装置具有和常规的太阳能电池或太阳能电池装置相比明显更高的效率。
该目的通过一种在权利要求1中给出的光伏模块以及通过一种在权利要求16中给出的光伏装置来实现。
根据本发明的光伏模块包括至少一个光伏电池，该光伏电池带有受限感光范围。此外存在一种透明的容纳装置，该容纳装置至少覆盖所述至少一个光伏电池的辐射活性的上侧，并且包括具有波长移动特性的透光热载体，其中使对入射的太阳光产生影响的波长移动特性匹配光伏电池的受限感光范围，使得可由光伏电池利用由透光热载体转化的光。最后存在一种用于在对于所述至少一个光伏电池效率最佳的温度范围内尽可能使透光热载体保持恒定的部件。
根据本发明的光伏模块的优点在于，一方面，由于各个使用的光伏电池的受限感光范围而不能由这些光伏电池直接使用的入射的太阳光的波长范围由光转换活性的热载体转换成可利用的、即位于光伏电池的感光范围中的波长。借助于本发明因此几乎可以将入射的太阳光的总光波长光谱用于产生电能。但附加地，光转换活性的热载体特别有利之处在于，就此也可以将光伏电池保持在效率最佳的低温处，例如在5-6摄氏度。因此可以在夏天通过冷却热载体、或在冬天通过相应地加热将光伏电池的温度保持在最佳的范围。
基于光转换活性的热载体的组合效果可以利用根据本发明的光伏模块取决于模块的各个结构上的构造获得明显超过50％的效率。尤其由使用的隔热件的类型和效果决定光伏模块的构造，以便至少将光伏电池的光转换活性的基底保持在效率最佳的低温范围内，并且进而可以在加热光伏电池时避免内阻通常而言剧烈的升高。
根据本发明的光伏模块允许使用仅仅具有受限感光范围、但能成本低廉并且大量地制造的光伏电池。因此，即便光伏电池仅仅应在可见的太阳光光谱并非很宽的波长范围内是活动的，理论上所有光伏电池也能用于根据本发明的光伏模块。因此例如可以使用以硅为基础的光伏电池，该光伏电池在可见光谱的蓝色或绿色范围内是活动的。由此，仅仅来自总光谱的属于感光范围的波长部分的太阳光光子可以用于转换成电子并且进而转换成电能。因此特别适合的是，例如正常的多晶体的、单晶体的、非结晶的或薄层的硅电池。自然也可以使用其它光伏电池。另一方面不必使用昂贵的、在多层工艺中制造的或GaAs光伏电池。
因此在本发明的第一实施方式中可以通过至少一个附加物调整透光热载体的波长移动特性，使得引起入射的太阳光的确定的波长变大。有利地，可以选择透光热载体的至少一个附加物，使得附加物使入射的太阳光的短波长部分转换成具有较长或长波长部分的、可由光伏电池利用的光。在实践中特别重要的是，透光热载体的至少一个附加物使入射的太阳光的UV波长部分转换成具有蓝色、绿色和/或黄色波长部分的光。这样的波长范围能良好地用于大量常规的光伏电池，这是因为其感光范围在此具有最佳效率。在实践中对此可以使用用于透光热载体的例如发荧光和/或发磷光的附加物。
因此在根据本发明的光伏模块中的透光热载体产生具有移动的波长光谱部分的光子流，调整光子流使之与各个使用的光伏电池的受限感光范围匹配。
此外，在根据本发明的光伏模块中使用具有波长移动特性的透光热载体。在此涉及具有至少一个高比热容的透光介质。此外，有利地，该介质也可以具有高导热性，并且在一定条件下附加地具有高比熔化焓或大导热系数。可以通过加入金属离子、例如铜离子引起这种特性。此外证明为有利的是，透光热载体具有大约5摄氏度的沸点。
证明为特别适合的是，具有作为原料的冷却-和/或防腐蚀液体的透光热载体。可以通过加入其它的成份引起热载体的光转换活性、即其波长移动特性，并且在效果方面进行调节。以下还将对此详细说明。
用作透明容纳装置的液体容器填充了热载体，该液体容器例如可以安装在光伏电池上，使得至少覆盖至少一个光伏电池的辐射活性的(einstrahlungsaktiv)上侧。在另一个实施方式中，光伏电池也可以完全在例如设计为玻璃容器的容纳装置内部类似漂浮地在透光热载体中放置。一方面该实施方式简化了借助于透光热载体将光伏电池冷却到效果最佳的温度范围上，例如5-6摄氏度。如果热载体附加地具有导电性，那么尤其在该实施方式中可以通过避开光伏电池所谓的暗带，显著改进光伏电池的接触，该暗带通常由电池上侧上的连接引线形成。
此外透光热载体也可以以结合水(wassergebunden)的形式例如作为胶完全填充液体容器。
示出的是，以光转换活性的冷却-和/或防腐蚀液体形式的出色的光活性的液体传热介质可以用作透光热载体，冷却-和/或防腐蚀液体设置用于至少有源冷却在计算机设备中具有高损耗功率的组件。
根据本发明的光伏模块的作用方式，在实验室中以不同的实施方式实际地进行。例如“Aquatuning GmbH，DE-33689 Bielefeld，Beckheide 13”公司使用光转换活性的冷却液。适合于相应使用的光转换活性的冷却介质的光伏电池例如由“ARCO Solar Inc.，Camarillo CA 93010 USA”公司的“ARCO Solar Sample Circuit Set”获悉。
在第一应用实例中，液体容器填充了“Aquatuning”公司的“AT-Protect-UV-blue”(Art.Nr.30026)类型的光转换活性的清澈的冷却介质，并且冷却到大约5度。该冷却介质将可见光的波长大约为300-430nm的UV波长部分转换成波长大约为430-500nm的蓝色光。然后可以由“ARCO Solar”公司的类型为“6 Volt Battery Char出ng”的单晶体标准太阳能电池最佳地使用这种转换的光，这是因为该太阳能电池很大程度上在光谱的蓝色波长范围内具有最高的效率、即最大敏感度。
在另一个应用实例中，液体容器填充了“Aquatuning”公司的“UV Green FluoProtect”(Art.Nr.30002)类型的光转换活性的清澈的防腐蚀-和冷却介质，并且冷却到大约5度。该介质将可见光的UV波长部分转换成波长大约为540nm的绿色光。然后可以由“ARCO Solar”公司类型为“Charging 2 Series Ni-CAD Battery”的单晶体标准太阳能电池太阳能电池最佳地使用这种转换的光，这是因为该太阳能电池很大程度上在光谱的绿色波长范围内具有最高的效率、即最大敏感度。
此外液体容器例如填充了“Aquatuning”公司的“AT-Protect-UV-red”(Art.Nr.30028)类型的光转换活性的红色冷却介质，并且冷却到大约5度。该介质将可见光的UV波长部分转换成波长大约为625-780nm的红色光。然后可以由“ARCO Solar”公司的类型为“Charging 1Series Ni-CAD Battery Powering ventilator Motor”的单晶体标准太阳能电池太阳能电池最佳地使用这种转换的光，这是因为该太阳能电池很大程度上在光谱的红色波长范围内具有最高的效率、即最大敏感度。
在根据本发明的光伏模块的另一个实施方式中，透光热载体为了调节波长移动特性而具有至少一个附加物，该附加物使入射的太阳光的波长变小。有利地，可以选择透光热载体的至少一个附加物，使得附加物使入射的太阳光的长波长部分转换成具有较短的或短波长部分的、可由光伏电池利用的光。在实践中特别重要的是，透光热载体的至少一个附加物使入射的太阳光的IR波长部分转换成具有蓝色、绿色和/或黄色波长部分的可利用的光。
因此例如为了调节波长移动特性而可以使用纳米颗粒作为附加物。如果将作为原料的冷却-和/或防腐蚀液体置换为例如掺杂钕晶体形式的纳米颗粒(Nd:YAG)，那么这对入射的太阳光的长波光谱部分具有波长减半或频率加倍的效果。入射的太阳光的位于红外范围内的长波光部分(波长大约为1064nm)转化为波长大约为532nm的短波光。其位于可见光谱的绿色光谱范围内并且可以由具有位于该范围内的最大敏感度的光伏电池直接使用。
特别有利的是，透光热载体通过加入适合的附加物而不仅具有将太阳光的短波光谱范围(特别是具有大约398nm波长的UV光谱)转换成较长波的(例如具有大约532nm波长的绿色)光的特性，而且具有将太阳光的非常长波的光谱范围(特别是具有大约1064nm波长的IR光谱)转换成较短波(例如具有大约532nm波长的同样是绿色)光的特性。这种光可以由在大约520-560nm处绿色光谱范围内具有最大选择性的光伏电池最佳地使用。例如在此也可以使用“ARCO Solar”公司类型为“Charging 2 Series Ni-Cad Batteries”的单晶体标准太阳能电池。
具有波长移动特性的透光热载体因此可以是UV或IR活性的冷却液体或不仅UV而且IR活性的组合液体。
根据本发明的另一个实施方式，光伏模块具有用于减小在光伏电池的辐射活性的上侧范围中的反射的部件。如果例如透明的容纳装置设计为玻璃体，那么例如朝向入射的太阳光的内侧上的平面可以设有抗反射涂层。通过使该面的表面粗糙引起类似的效果。因此避免了入射的太阳光的反射损耗和热载体中波长移动的光的散射损耗，并且因此最佳地转向到光伏电池上。
根据本发明的光伏模块的另一优点在于，由于使光伏电池的温度保持恒定而明显减慢了微裂的出现和进而光伏电池的老化。此外透光热载体的波长移动特性通过显著降低有害的并且限制寿命的光谱部分、特别是短波的UV光谱部分的影响，从而产生对于光伏电池的保护效果。
光伏装置具有至少一个、但通常大量根据本发明的上述类型的光伏模块。其至少包括用于循环用于光伏模块的冷却介质的部件。其中集成了用于将来自于出自装置的光伏模块的冷却介质的热能通过汽化该冷却介质转换成机械能的部件。此外存在用于通过冷凝对冷却介质进行冷却的部件和用于将机械能转化成电能的部件。最后存在用于由装置的光伏模块产生的电能的电存储-和/或转换单元、特别是电池缓冲的逆变器。
用于将冷却介质的热能转化成机械能的部件例如可以是热泵。
在光伏装置的特别有利的实施方式中，用于将热能转化为机械能的涡轮机集成在循环部件中。该涡轮机具有通过冷凝对冷却介质进行冷却的冷凝器。最后将用于产生电能的发电机连接在涡轮机上。这种系统完全足够维持而无需外部能量，其中处于压力下并且具有大约5-6摄氏度的低沸点的冷却介质在进入涡轮机时膨胀并且驱动涡轮机。借助于冷凝器然后使冷却介质完全液化，并且例如可以通过利用无源冷却装置的支持再次作为冷却介质反馈到循环回路中。
根据实施方式，冷却介质例如可以是酒精-水混合物，其在和光伏模块内部的透光热载体分离的回路中循环。另一方面也可能的是，透光的并且波长移动的热载体直接用作循环回路中的冷却介质，并且大面积地冲洗全部光伏模块极其光伏电池。
附图说明
以下根据附图详细说明本发明本身的有利的实施方式。图中示出：
图1以透视侧视图示出了根据本发明的光伏模块的示例性实施方式，以及
图2以俯视图示例性地示出了由六个串联的根据本发明的光伏模块组成的光伏装置。
具体实施方式
图1中示出的示例性的光伏模块1具有辐射活性的上侧10，具有穿过地球大气层的波长光谱部分的太阳光A入射该上侧。太阳光到达透明的容纳装置20中，其例如可以设计为由玻璃制成的液体容器。容纳装置20根据本发明填充具有波长移动特性的透光热载体21，例如光转换活性的冷却-和/或防腐蚀液体。有利地，辐射活性的上侧10的内表面附加地设计为反射面22。
在透明的容纳装置20下面布置了光伏电池30，例如以硅为基础的单晶体标准太阳能电池，其根据本发明具有受限的、调整以匹配热载体21的波长移动特性的感光范围。光伏电池30的辐射活性的上侧31因此至少由透明的容纳装置20覆盖。由透光热载体21转换的、具有至少一个移动的波长光谱部分的光B因此到达辐射活性的上侧31，并且可以由光伏电池30转换成电能。出于更好地概览的原因在图1中未示出光伏电池30的电连接端。
根据本发明，图1的示例性的光伏模块1具有用于冷却液体容器20中的透光热载体21的部件40。该部件例如可以设计为用于输送、通过和排出冷却介质、例如由水和酒精组成的混合物的管道系统形式。在另一个实施方式中也可以将透光热载体自身用作冷却介质并且例如全面地输送穿过容纳装置20。
在图2中示出了光伏装置50，其例如由六个光伏模块1a-1f构成。这些光伏模块以热技术串联，冷却介质经过馈送线路51输送到其中，经过循环线路52从模块到模块进行传输并且最后经过返回线路53再次进行收集。
涡轮机57连接在冷却介质的循环回路中。经过返回线路53收集的、基于入射的太阳光在装置的光伏模块1a-1f中进行加热的并且有利地处于过压下的冷却介质输送到涡轮机57。随着该冷却介质进入涡轮机57中，对该冷却介质进行汽化并且进而做机械功用于驱动涡轮机。由于膨胀而同时使冷却介质冷却下来并且可以经过有利附加的后接冷凝器再次完全液化。其现在在低温水平上经过线路51重新可用于馈送进光伏模块1a-1f的链。
在涡轮机57中释出的机械功最后经过耦合的发电机58转换成电能，该电能可以经过馈入线路59例如输送给电能分配网。此外，装置的光伏模块1a-1f的直流电输出端经过接缆54联合并且连接在电存储-和/或转换单元55上，例如具有电池缓冲的逆变器。由逆变器产生的电压也可以经过馈入线路56例如输送给电能分配网。
图2中示出类型的光伏装置具有特别高的效率，这是因为在光伏模块1a-1f中出现的太阳热的热量和经过太阳光入射的光子流在光伏模块中转换成电能，此外这种装置可以无需外部能量地运行。最后可能的是，在线路51，52，53的循环回路中穿过光伏模块供给的液体同时是具有波长移动特性的热载体。
参考标号表
A 具有穿透地球大气层的波长光谱部分的入射的太阳光
1 光伏模块
10 模块的辐射活性上侧
20 透明的容纳装置，特别是液体容器
21 具有波长移动特性的透光热载体
22 反射面
30 带有受限感光范围的光伏电池，例如以硅为基础的单晶体标准太阳能电池
31 光伏电池的辐射活性上侧
40 用于冷却透光热载体的部件
B 转换的具有至少一个由透光热载体移动的波长光谱部分的光
50 光伏装置
1a-1f 光伏装置的光伏模块
51 冷却介质的馈送线路
52 循环线路
53 返回线路
54 光伏模块的电压输出端的接缆
55 电存储-和/或转换单元，例如具有电池缓冲的逆变器
56 逆变器的馈入线路，例如在电能分配网中
57 具有后接的冷凝器的涡轮机
58 连接的发电机
59 发电机的馈入线路，例如到电能分配网中
Claims (17)
1.一种光伏模块(1)，具有：
a)至少一个带有受限感光范围的光伏电池(30)，
b)透明的容纳装置(20)，该容纳装置
-至少覆盖所述至少一个光伏电池(30)的辐射活性的上侧(31)，以及
-所述容纳装置包括具有波长移动特性的透光热载体(21)，其中使对所述入射的太阳光(A)产生影响的波长移动特性匹配所述光伏电池(30)的所述受限感光范围，使得能够由所述光伏电池(30)利用由所述透光热载体(21)转化的光(B)，以及具有
c)用于在对于所述至少一个光伏电池(30)效率最佳的温度范围内尽可能使所述透光热载体(21)保持恒定的部件(40)。
2.根据权利要求1所述的光伏模块，其中
所述透光热载体(21)为了调节所述波长移动特性而具有至少一个附加物，所述附加物使所述入射的太阳光(A)的波长变大。
3.根据权利要求2所述的光伏模块，其中
选择所述透光热载体(21)的所述至少一个附加物，使得所述附加物将所述入射的太阳光(A)的短波长部分转换成具有长波长部分的、能够由所述光伏电池(30)利用的光(B)。
4.根据权利要求3所述的光伏模块，其中
所述透光热载体(21)的所述至少一个附加物将所述入射的太阳光(A)的UV波长部分转换成具有蓝色、绿色和/或黄色波长部分的能够利用的光(B)。
5.根据前述权利要求2至4中任一项所述的光伏模块，其中
所述透光热载体(21)为了调节所述波长移动特性而具有至少一个发荧光和/或发磷光的附加物。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光伏模块，其中
所述透光热载体(21)为了调节所述波长移动特性而具有至少一个附加物，所述附加物使所述入射的太阳光(A)的波长变小。
7.根据权利要求6所述的光伏模块，其中
选择所述透光热载体(21)的所述至少一个附加物，使得所述附加物将所述入射的太阳光(A)的长波长部分转换成具有短波长部分的、能够由所述光伏电池(30)利用的光(B)。
8.根据权利要求7所述的光伏模块，其中
所述透光热载体(21)的所述至少一个附加物将所述入射的太阳光(A)的IR波长部分转换成具有蓝色、绿色和/或黄色波长部分的能够利用的光(B)。
9.根据权利要求8所述的光伏模块，其中
所述透光热载体(21)为了调节所述波长移动特性而具有纳米颗粒作为至少一个附加物。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光伏模块，其中
所述透光热载体(21)具有作为原料的冷却-和/或防腐蚀液体。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光伏模块，其中
将光转换活性的冷却-和/或防腐蚀液体用作透光热载体(21)，所述冷却-和/或防腐蚀液体用于至少有源冷却在计算机设备中具有高损耗功率的组件。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光伏模块，其中
所述透光热载体(21)具有大约5摄氏度的沸点。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光伏模块，其中
所述透光热载体(21)导电。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光伏模块，具有
用于减小所述光伏电池(1)的辐射活性的上侧(31)的范围中的反射的部件(10)。
15.根据权利要求14所述的光伏模块，具有
在所述光伏电池(1)的辐射活性的上侧(31)范围中的抗反射涂层(10)。
16.一种具有至少一个根据前述权利要求中任一项所述的光伏模块(1a-1f)的光伏装置(50)，具有
a)用于对于所述至少一个光伏模块(1a-1f)进行冷却介质循环的部件(51，52，53)，以及具有
b)集成在所述循环部件(51，52，53)中的部件
-用于将来自于所述至少一个光伏模块(1a-1f)的冷却介质中包含的热能通过汽化所述冷却介质转化成机械能，
-用于通过冷凝对所述冷却介质进行冷却，以及
-用于将所述机械能转化成电能(59)，并且具有
c)用于由所述至少一个光伏模块(1a-1f)产生的电能(56)的电存储-和/或转换单元(55)。
17.根据权利要求16所述的光伏装置(50)，具有
a)集成在所述循环部件(51，52，53)中、带有冷凝器的涡轮机(57)，所述冷凝器作为用于将热能转化为机械能并且用于通过冷凝对冷却介质进行冷却的部件，并且具有
b)连接在所述涡轮机(57)上用于产生电能(59)的发电机(58)。
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