DE102007055462A1 - Photovoltic system regulating system, involves thermally coupling Peltier-element with solar cell, cooling and/or heating cell by Peltier-element, and determining temperature of cell or region of cell by temperature sensor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Photovoltaik-Anlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The The invention relates to a method for controlling a photovoltaic system with the features of the preamble of claim 1.
Ein bekanntes Problem bei Photovoltaik-Anlagen ist, dass Solarzellen unterhalb einer bestimmten Temperatur einen guten Wirkungsgrad haben. Sobald die Temperatur der Solarzellen über diese obere Grenztemperatur steigt, sinkt der Wirkungsgrad.One known problem with photovoltaic systems is that solar cells have a good efficiency below a certain temperature. As soon as the temperature of the solar cells above this upper limit temperature increases, the efficiency decreases.
Um
dem Wärmeproblem im Falle eines Sonnenkollektors zu begegnen,
ist es aus der
Die
Bekannt
sind ferner Peltier-Elemente, also elektrothermische Wandler, welche
bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz oder bei einer Temperaturdifferenz
einen Stromfluss erzeugen. Derartige Peltier-Elemente werden unter
anderem zum Kühlen von CPUs verwendet. Ein Beispiel eines
derartigen Peltier-Elements ist aus der
Ferner
ist aus der
Derartige Photovoltaik-Anlagen lassen noch Wünsche offen. Insbesondere lässt der Wirkungsgrad der Solarzellen zu wünschen.such Photovoltaic systems leave nothing to be desired. Especially lets the efficiency of solar cells to wish.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Photovoltaik-Anlage zu verbessern.Of the The invention is therefore based on the object, a photovoltaic system to improve.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.These The object is achieved by a method solved with the features of claim 1. advantageous Embodiments are the subject of the dependent claims.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Regelung einer Photovoltaik-Anlage, aufweisend mindestens eine Solarzelle und mindestens ein Peltier-Element, welches thermisch mit der Solarzelle gekoppelt ist, vorgesehen, wobei das Peltier-Element für eine Kühlung und/oder Beheizung der Solarzelle verwendet wird. Durch ein Kühlen oder Heizen der Solarzelle kann die Solarzelle in einem optimalen Betriebsbereich betrieben werden, so dass der Wirkungsgrad steigt. Der Energieaufwand zum Erreichen dieser optimalen Betriebstemperatur ist in der Regel geringer als die mehr gewonnene Energie.According to the invention a method for controlling a photovoltaic system, comprising at least one solar cell and at least one Peltier element, which is thermally coupled to the solar cell, provided, wherein the Peltier element for cooling and / or heating the solar cell is used. By cooling or heating The solar cell allows the solar cell in an optimal operating range be operated so that the efficiency increases. The energy expenditure To achieve this optimum operating temperature is usually less than the more recovered energy.
Bevorzugt ist für die Regelung der Photovoltaik-Anlage ein Temperatursensor vorgesehen, welcher die Temperatur der Solarzelle oder im Bereich der Solarzelle ermittelt, und bei Überschreiten einer oberen Grenztemperatur durch die vom Temperatursensor ermittelte Temperatur eine Betätigung der Kühlung der Solarzelle durch das Peltier-Element durch das Anlegen einer Spannung aktiviert wird.Prefers is a temperature sensor for the regulation of the photovoltaic system provided, which the temperature of the solar cell or in the field of Solar cell determined, and when exceeding an upper Limit temperature by the temperature determined by the temperature sensor an actuation of the cooling of the solar cell by the Peltier element is activated by the application of a voltage.
Die obere Grenztemperatur liegt vorzugsweise im Bereich von der optimalen Betriebstemperatur der Solarzelle zuzüglich 2 K bis 10 K, insbesondere zuzüglich 5 K +/– 2 K. Somit ergibt sich beispielsweise bei einer optimalen Betriebstemperatur von 35°C ein Bereich von 37°C bis 45°C, und besonders bevorzugt ein Bereich von 37°C bis 42°C. Der Wirkungsgrad ist hierbei besser, je näher die obere Grenztemperatur bei der optimalen Betriebstemperatur der Solarzelle liegt.The upper limit temperature is preferably in the range of the optimum Operating temperature of the solar cell plus 2 K to 10 K, in particular plus 5 K +/- 2 K. Thus results For example, at an optimum operating temperature of 35 ° C on Range from 37 ° C to 45 ° C, and more preferred a range of 37 ° C to 42 ° C. The efficiency This is better, the closer the upper limit temperature at the optimum operating temperature of the solar cell.
Besagter Temperatursensor oder ein zweiter Temperatursensor kann auch für eine Temperaturüberwachung in Bezug auf eine untere Grenztemperatur vorgesehen sein. Hierbei erfolgt bei Unterschreiten der unteren Grenztemperatur eine Betätigung der Beheizung der Solarzelle durch das Peltier-Element durch das Anlegen einer entsprechenden Spannung.Said temperature sensor or a second Temperature sensor may also be provided for temperature monitoring with respect to a lower limit temperature. In this case, when the lower limit temperature is exceeded, an actuation of the heating of the solar cell by the Peltier element by applying a corresponding voltage.
Die untere Grenztemperatur liegt vorzugsweise im Bereich von der optimalen Betriebstemperatur der Solarzelle abzüglich 2 K bis 10 K, insbesondere abzüglich 5 K +/– 2 K. Somit ergibt sich beispielsweise bei einer optimalen Betriebstemperatur von 35°C ein Bereich von 25°C bis 33°C, und besonders bevorzugt ein Bereich von 28°C bis 32°C. Der Wirkungsgrad ist hierbei besser, je näher die untere Grenztemperatur bei der optimalen Betriebstemperatur der Solarzelle liegt.The lower limit temperature is preferably in the range of the optimum Operating temperature of the solar cell minus 2 K to 10 K, in particular minus 5 K +/- 2 K. Thus yields For example, at an optimum operating temperature of 35 ° C. a range of 25 ° C to 33 ° C, and particularly preferred a range of 28 ° C to 32 ° C. The efficiency This is better, the closer the lower limit temperature at the optimum operating temperature of the solar cell.
Besonders bevorzugt erfolgt keine ständige Überwachung der Temperatur, sondern vielmehr eine stichprobenartige, bevorzugt in regelmäßigen Abständen erfolgende Überwachung. Diese kann beispielsweise alle 60 Sekunden oder alle 5 Minuten erfolgen. Bei einer derartigen, getakteten Überwachung erfolgt bevorzugt eine Kühlung oder Beheizung der Solarzelle erst nach einem mehrfachen Über- bzw. Unterschreiten einer Grenztemperatur in ununterbrochener Folge. Die schließt eine unnötige Kühlung oder Beheizung bei einzelnen wolkenfreien Bereichen bzw. kleineren Wolken, d. h. bei kurzfristigen Abweichungen, aus.Especially Preferably, there is no continuous monitoring of Temperature, but rather a random, preferably in regular monitoring. This can for example be done every 60 seconds or every 5 minutes. In such a clocked monitoring is preferred cooling or heating of the solar cell after one multiple exceeding or falling below a limit temperature in an uninterrupted sequence. That excludes unnecessary cooling or heating in individual cloud-free areas or smaller Clouds, d. H. for short-term deviations, off.
Besonders bevorzugt ist neben dem Temperatursensor ein Lichtsensor vorgesehen, mit dem zu Zeiten mit theoretisch vorhandener, ausreichender Sonneneinstrahlung unter Berücksichtigung einer vom Temperatursensor ermittelten Temperatur von 0°C oder weniger eine die Sonneneinstrahlung abschirmende Schnee- oder Eisdecke ermittelt wird, und bei ermittelter Schnee- oder Eisdecke die Beheizung der Solarzelle durch das Peltier-Element aktiviert wird. Das Entfernen von Schnee und Eis hat noch den Nebeneffekt, dass die mechanische Belastung der Photovoltaik-Anlage verringert wird.Especially Preferably, a light sensor is provided in addition to the temperature sensor, with the at times with theoretically existing, sufficient solar radiation taking into account a temperature determined by the temperature sensor Temperature of 0 ° C or less the sunlight shielding snow or ice cover is detected, and when determined Snow or ice cover the heating of the solar cell by the Peltier element is activated. The removal of snow and ice still has the side effect that reduces the mechanical load on the photovoltaic system becomes.
Die Photovoltaik-Anlage weist vorzugsweise einen Akkumulator auf, welcher für Zeiten ohne oder mit nur geringer Sonneneinstrahlung Energie speichert, um eine ggf. vorhandene Schnee- oder Eisdecke oder einen Reifbelag zu entfernen, und die Solarzelle auf eine vernünftige Betriebstemperatur zu bringen, bei welcher auch im Winter bei geringen Außentemperaturen eine Stromerzeugung möglich ist.The Photovoltaic system preferably has an accumulator, which for times without or with little sunlight Stores energy to any existing snow or ice cover or to remove a frosting, and the solar cell to a reasonable Operating temperature to bring in which even in winter at low Outdoor temperatures a power generation possible is.
Besonders bevorzugt weist die Photovoltaik-Anlage mindestens einen Ventilator auf, welcher von der den Solarzellen entgegengesetzten Seite aus der Umgebung angesaugte Luft auf die kühlende Unterseite der Photovoltaik-Anlage bläst, so dass die Wärmeableitung beschleunigt wird. Die Drehachse des Ventilator verläuft bevorzugt senkrecht zu der Ebene, in welcher sich die Solarzelle erstreckt.Especially Preferably, the photovoltaic system has at least one fan on, which from the solar cell opposite side the air sucked in on the cooling bottom the photovoltaic system blows, causing heat dissipation is accelerated. The axis of rotation of the fan runs preferably perpendicular to the plane in which the solar cell extends.
Der Ventilator, welcher nur einen sehr geringen Energiebedarf hat, wird bevorzugt automatisch bei einem Kühlbetrieb des Peltier-Elements mit eingeschaltet. Alternativ kann jedoch eine spezielle Regelung für den Ventilator vorgesehen sein, so dass dieser ab Erreichen der optimalen Betriebstemperatur der Solarzelle eingeschaltet wird, also bereits vor einem Kühlbetrieb des Peltier-Elements. Das Abschalten erfolgt, sobald die optimale Betriebstemperatur der Solarzelle wieder erreicht oder unterschritten wird.Of the Fan, which has only a very low energy requirement is preferably automatically in a cooling operation of the Peltier element with on. Alternatively, however, a special scheme be provided for the fan, so this from reaching the optimum operating temperature of the solar cell is switched on, So even before a cooling operation of the Peltier element. The shutdown occurs as soon as the optimum operating temperature of the Solar cell is reached or fallen below again.
Insbesondere bevorzugt sind die oberflächenvergrößernden Strukturen derart ausgebildet, dass die vom Ventilator kommende Luft möglichst gleichmäßig an der gesamten Oberfläche entlang strömt und möglichst viel Wärme abführt. Dies kann beispielsweise durch eine sternförmige oder spiralförmige Anordnung von Kühlrippen erfolgen.Especially preferred are the surface enlarging Structures formed such that coming from the fan Air as evenly as possible on the whole Surface flows along and as possible dissipates a lot of heat. This can be done, for example a star-shaped or spiral arrangement done by cooling fins.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, teilweise unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung, näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:in the The invention is based on several exemplary embodiments, partly with reference to the accompanying drawings, in more detail explained. In the drawing show:
Eine
Photovoltaik-Anlage
Zudem
ist – beabstandet vom Boden
Im
Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele für
eine Regelung der Photovoltaik-Anlage
Gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel ist eine relativ einfache Regelung
vorgesehen. Hierbei wird lediglich die Temperatur der Solarzellen
Gemäß einer ersten Variante erfolgt eine Überwachung, wie vorstehend beschrieben, jedoch sind fünf aufeinanderfolgende Überschreitungen der maximalen Grenztemperatur erforderlich, um die Kühlung zu aktivieren. Die Abschaltung erfolgt, sobald die untere Abschaltgrenztemperatur unterschritten wird.According to one first variant is a monitoring, as above however, there are five consecutive transgressions the maximum temperature limit required for cooling to activate. The shutdown occurs as soon as the lower shutdown limit temperature is fallen short of.
Gemäß einer
weiteren Variante ist die Regelung der Ventilatoren unabhängig
von der Regelung der Peltier-Elemente
Alternativ zu einer uhrzeitabhängigen Überwachung kann auch eine lichtgesteuerte Überwachung der Temperaturüberwachung vorgesehen sein, d. h. bei Nacht oder bei einem derart bedeckten Himmel, bei dem nicht mit einer Überschreitung der oberen Grenztemperatur zu rechnen ist, erfolgt keine Überwachung der Temperatur. Ansonsten erfolgt die Temperaturüberwachung entsprechend dem zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel.alternative can also be to a time-dependent monitoring a light-controlled monitoring of temperature monitoring be provided, d. H. at night or in such a cloudy sky, when not exceeding the upper limit temperature is expected, there is no monitoring of the temperature. Otherwise, the temperature monitoring takes place accordingly the first embodiment described above.
Gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel ist eine verbesserte Regelung
für eine Photovoltaik-Anlage
Gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel wird die Temperatur der Solarzellen
Zur
Tageszeit wird dann in regelmäßigen Abständen
die Temperatur gemessen und sowohl mit einer maximalen Grenztemperatur
Tmax, welche vorliegend 40°C beträgt,
als auch mit einer minimalen Grenztemperatur Tmin verglichen,
welche vorliegend 15°C beträgt. Wird im Rahmen
der Überwachung eine Temperatur T ermittelt, welche über
der maximalen Grenztemperatur Tmax liegt,
so wird eine Spannung derart an die Peltier-Elemente
Die
Regelung der Ventilatoren erfolgt vorliegend unabhängig
von der Regelung der Peltier-Elemente
Wird
im Rahmen der Überwachung eine Temperatur T ermittelt,
welche unter der minimalen Grenztemperatur Tmin liegt,
so wird eine Spannung derart an die Peltier-Elemente
Wird
jedoch eine Temperatur T von 0°C oder weniger ermittelt
und ermittelt der Lichtsensor zudem eine für die Tageszeit
zu niedrige Lichteinstrahlung, welche nicht von einer Bewölkung
stammen kann, so ist auf eine Schnee- oder Eisdecke zu schließen,
und die Peltier-Elemente
Gemäß einem alternativen Aufbau der Photovoltaik-Anlage können die Solarzellen direkt an einem plattenförmigen Element angebracht sein, welches eine Mehrzahl von Peltier-Elementen enthält. Am plattenförmigen Element können zudem einzelne Rippen zur Wärmeableitung vorgesehen sein, d. h. der durchgehende Boden kann entfallen.According to one alternative structure of the photovoltaic system can the Solar cells attached directly to a plate-shaped element which contains a plurality of Peltier elements. At the plate-shaped element can also single ribs be provided for heat dissipation, d. H. the continuous one Floor can be omitted.
Zwischen dem Halterungselement und dem Boden mit oberflächenvergrößernden Strukturen zur Wärmeableitung kann auch eine Mehrzahl von getrennt ausgebildeten Peltier-Elementen angeordnet sein.Between the support member and the floor with surface enlarging Structures for heat dissipation can also be a plurality of be arranged separately formed Peltier elements.
Da bei Photovoltaik-Anlagen üblicherweise in Rahmen angeordnete Solarzellen vorgesehen sind, welche auf einem gut temperaturleitenden und hinterlüfteten Halterungselement befestigt sind, ist auch bei bereits vorhandenen Anlagen eine Nachrüstung mit Peltier-Elementen samt Kühlrippen o. ä. auf der Rückseite des Halterungselements sowie einer entsprechenden Regelung möglich.There in photovoltaic systems usually arranged in frame Solar cells are provided, which are on a good temperature-conductive and ventilated retaining element are also attached For existing systems retrofit with Peltier elements with cooling fins or similar on the back the support member and a corresponding control possible.
- 11
- Photovoltaik-AnlagePhotovoltaic system
- 22
- Solarzellesolar cell
- 33
- Halterungselementsupporting member
- 44
- Peltier-ElementPeltier element
- 55
- Bodenground
- 66
- Kühlrippecooling fin
- TT
- Temperaturtemperature
- Tabmax T abmax
- oberen Abschaltgrenztemperaturtop Abschaltgrenztemperatur
- Tabmin T abmin
- untere Abschaltgrenztemperaturlower Abschaltgrenztemperatur
- Tmax T max
- maximalen Grenztemperaturmaximum limit temperature
- Tmin T min
- minimalen Grenztemperaturminimum limit temperature
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