DE102009009213A1 - Energy converter for solar radiation - Google Patents

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Abstract

Der Wirkungsgrad von photovoltaischen Zellen verläuft umgekehrt proportional zur Zellentemperatur. Bei konzentrierenden Solargeneratoren entstehen hohe Temperatursprünge. Gleichzeitig erhöht sich der Ohm'sche Verlust in den Zellen, was zur weiteren Verringerung des Wirkungsgrades führt. Die Erfindung zeigt, wie diese Wärmeströme bei geringstem Temperatursprung abgeleitet werden können.The efficiency of photovoltaic cells is inversely proportional to the cell temperature. Concentrating solar generators cause high temperature jumps. At the same time, the ohmic loss in the cells increases, which leads to further reduction of the efficiency. The invention shows how these heat flows can be dissipated at the slightest temperature jump.

Description

Die Erfindung betrifft photovoltaische Energiewandler, die bei Konzentrator-Generatoren für Solarenergie einen höheren Wirkungsgrad versprechen als bekannte Energiewandler. Bei allen bekannten Systemen führt die Verlustwärmefortleitung zu grossen leistungsverschlechternden Temperaturzunahmen für die energiewandelnden Photozellen, die ausserdem durch die Ohm'schen Verluste in der maximale Bestrahlungsdichte begrenzt sind.The The invention relates to photovoltaic energy converters used in concentrator generators for solar energy a higher one Efficiency promise as known energy converters. At all leads known systems the loss heat transfer to large power-degrading temperature increases for the energy-converting Photocells, in addition, by the ohmic losses in the maximum irradiance are limited.

Die Erfindung besteht aus einer Wärmesenke, die nur aus zwei wärmeleitende Elementen, dem Gehäuse mit extrem kurzen Wärmeleitwegen und aus einer Elektrizitätsbarriere besteht, die einen extrem geringen Wärmewiderstand bietet, wie in Anspruch 1 definiert.The Invention consists of a heat sink, the only two heat-conducting Elements, the housing with extremely short heat conduction paths and from an electricity barrier exists, which offers an extremely low thermal resistance, as in Claim 1 defined.

Zur Verringerung der Ohm'schen Verluste innerhalb der Photozelle weist die Erfindung einen Weg durch Einfügung eines weiteren Leiters, der zwischen den ausleitenden Leitern angeordnet ist, durch den die Ohm'schen Verluste halbiert werden.to Reduction of Ohm's Losses within the photocell, the invention shows a way by insertion another conductor, which is arranged between the diverting conductors is through which the ohms Losses are halved.

Die Erfindung weist also einen Weg zur Verringerung der bisher unvermeidbaren temperaturbedingten Verluste auf.The So invention has a way to reduce the previously unavoidable temperature-related losses.

Die Erfindung soll anhand von Figuren beschrieben werden:The The invention will be described with reference to figures:

1 zeigt einen Querschnitt durch das Rippengehäuse mit der photovoltaischen Zelle und der gut wärmeleitenden elektrisch isolierenden Platte. 1 shows a cross section through the fin housing with the photovoltaic cell and the good thermal conductivity electrically insulating plate.

2 zeigt die selbe Anordnung wie 1 wobei ausserdem eine Diode auf der Platte angeordnet ist. 2 shows the same arrangement as 1 wherein also a diode is arranged on the plate.

3 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung in 2 mit den Leitern. 3 shows a plan view of the arrangement in 2 with the ladders.

4 zeigt eine Aufteilung der Elemente, bei der die Diode die Wärme über ein Metallstück zu der Platte leitet. 4 shows a division of the elements, in which the diode conducts the heat via a piece of metal to the plate.

5 zeigt eine Photozelle nach dem Stande der Technik, bei der die Ausleitung über zwei Leiter erfolgt. 5 shows a photocell according to the prior art, in which the discharge takes place via two conductors.

6 zeigt eine Photozelle, bei der die Ausleitung über drei parallel verlaufende Leiter erfolgt. 6 shows a photocell, in which the discharge takes place via three parallel conductors.

7 zeigt eine Photozelle mit einem Frustum aus verlustarmem Glas. 7 shows a photocell with a frustum of low-loss glass.

In 1 ist der Aufbau des Energiewandlers gezeigt. Das Gehäuse 1 hat eine ebene Fläche 2, die mit Kühlrippen 3 verbunden ist. Die wärmeerzeugende Photozelle 4 ist durch eine elektrisch isolierende Platte 5 von der ebenen Fläche 2 getrennt. Ein kegelstumpfförmifger Glas-Homogenisierer 6 ist auf der oberen Seite der Photozelle 4 aufgeklebt. Der obere Rand des Homogenisierers wird durch eine Abdeckung 7 positioniert. Die isolierende Platte 5 besteht aus einem Metalloxid oder Metallnitrid, das einen geringen Wärmestromwiderstand aufweist, zum Beispiel aus Berilliumoxid oder einem Silizium- oder Aluminiumnitrid. Die Zelle 4 ist dadurch nur durch eine gut wärmeleitende Platte vom wärmeaufnehmenden Fluid, zum Beispiel strömender Luft oder Wasser getrennt.In 1 the construction of the energy converter is shown. The housing 1 has a flat surface 2 that with cooling fins 3 connected is. The heat generating photocell 4 is through an electrically insulating plate 5 from the flat surface 2 separated. A truncated cone glass homogenizer 6 is on the upper side of the photocell 4 glued. The upper edge of the homogenizer is covered by a cover 7 positioned. The insulating plate 5 consists of a metal oxide or metal nitride which has a low heat flow resistance, for example of beryllium oxide or a silicon or aluminum nitride. The cell 4 is thereby separated only by a good heat-conducting plate from the heat-absorbing fluid, for example, flowing air or water.

2 zeigt den gleichen Aufbau wie in 1 mit der ebenen Fläche 20, bei dem jedoch neben der Photozelle 04 eine Diode 22 auf der gleichen gut wärmeleitenden elektrisch isolierenden Platte 05 angeordnet ist. Der Leiter 30 ist mit der Oberseite der photovoltaischen Zelle 04 verbunden, der Leiter 02 mit der Unterseite. 2 shows the same structure as in 1 with the flat surface 20 , in which, however, next to the photocell 04 a diode 22 on the same good thermal conductivity electrically insulating plate 05 is arranged. The leader 30 is with the top of the photovoltaic cell 04 connected, the leader 02 with the bottom.

3 zeigt die in 2 beschriebene Anordnung in der Draufsicht, wobei die Photozelle 004 und die Diode 022 sichtbar sind. Um diese beiden Spannung führenden Elemente verläuft ein Randbereich auf der Platte 005, dessen Breite unter Einbeziehung der Dicke der Platte 005 so breit sein muss, dass die Einheit mit Hochspannung auf Erdschluss getestet werden kann. Aus der Diode 022 ragen ein positiver Leiter 030 und ein negativer Leiter 021 heraus. Die Photozelle 004 ist von zwei Leitern eingefasst, die mit der negativen Oberfläche der Diode und mit dem Leiter 021, der die negative Ladung nach aussen leitet, verbunden werden, während der zentrale Leiter mit der positiven Leitung 030 verbunden ist. 3 shows the in 2 described arrangement in plan view, wherein the photocell 004 and the diode 022 are visible. Around these two voltage-carrying elements runs a border area on the plate 005 whose width incorporates the thickness of the plate 005 so wide that the unit can be tested with high voltage for ground fault. From the diode 022 a positive leader protrude 030 and a negative leader 021 out. The photocell 004 is framed by two conductors connected to the negative surface of the diode and to the conductor 021 , which conducts the negative charge to the outside, while the central conductor is connected to the positive line 030 connected is.

Da diese Schicht senkrecht zur die Zelle aufnehmenden Platte vom Wärmestrom durchsetzt wird, kann durch eine geringe Vergrösserung dieser Platte auch der Wärmestrom einer Bypass-Diode mit ausgeleitet werden. Wenn die Zelle nicht zur Weiterleitung des Arbeitsstromes von mit ihr in Reihe geschalteten Zellen in der Lage ist, zum Beispiel durch Zerstörung der die Photonen aufnehmenden Schicht, so muss die parallel zur Zelle angeordnete Diode den gesamten Strom weiterleiten. Die aus der Diode austretenden Negativleiter 021 können dabei so gebogen werden, dass sie mit den aus der Photozelle austretenden Negativleitern 31 vebunden werden, während der positive Leiter mit dem ausleitenden Kabel 030 verbunden wird. Hierdurch gelangt das von der Unterseite der Zelle kommende Plus-Potential über die Metallisierungsschicht zur metallischen Unterseite der Diode. An einem aus der Diode austretenden Negativleiter wird das Minus-Kabel 021 leitend befestigt.Since this layer is traversed by the heat flow perpendicular to the plate receiving the cell, by a small increase in this plate, the heat flow of a bypass diode can be discharged with. If the cell is not capable of relaying the working current from cells connected in series, for example by destroying the photon receiving layer, then the diode arranged parallel to the cell must conduct the entire current. The negative conductor emerging from the diode 021 can be bent so that they with the exiting from the photocell negative conductors 31 be connected while the positive conductor with the conductive cable 030 is connected. As a result, the positive potential coming from the underside of the cell passes via the metallization layer to the metallic underside of the diode. At a negative conductor emerging from the diode becomes the minus cable 021 attached conductively.

4 Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Verbindung der Zellen mit der wärmeleitenden Platte und auch die Verbindung mit der Diode durch Löten unter Ultraschall erfolgt, da dann alle sonst die Lötverbindung behindernden Oxid- oder Nitrid-Schichten und auch die aus Aluminium bestehende Schicht innerhalb des Rippengehäuses eine Bindung mit dem zum Beispiel aus Zinn und Silber bestehenden Lot eingehen. Wenn der Platz auf der Schicht 022 für die beiden Halbleiter zu klein ist, sieht die Erfindung einen Kupfer-Silberblock 41 vor, über den der Wärmestrom der Diode 0020 durch die Platte 0005 unter der Zelle 0004 abfliesst. 4 It has proven to be advantageous if the connection of the cells with the thermally conductive plate and also the connection to the diode by soldering under ultrasound, then all otherwise the solder joint obstructing oxide or nitride layers and also the layer consisting of aluminum within the fin housing a bond with the Example of tin and silver existing solder. If the place on the layer 022 is too small for the two semiconductors, the invention sees a copper-silver block 41 above, over which the heat flow of the diode 0020 through the plate 0005 under the cell 0004 flows away.

5 zeigt eine quadratische Zelle nach dem Stand der Technik, bei der die Negativ-Ausleitung auf der dem Strahlungsstrom zugewandte Fläche durch in der Schicht eingelagerte dünne Leiter 50 erfolgt, die von der gedachten Neutrallinie 51 ausgehend zu den Sammelschienen 52, 53 die freigewordenen Elektronen ausleiten. Je dünner die Leiter 50 sind, umso geringer ist die Beschattung der Zellensubstanz. Im Sinne eines Kompromisses muss der Ohm'sche Widerstand klein gehalten werden, gleichzeitig müssen die Leiter 50 so dünn wie möglich sein. 5 shows a square cell according to the prior art, in which the negative leakage on the surface facing the stream of radiation through in the layer embedded thin conductors 50 done by the imaginary neutral line 51 starting to the busbars 52 . 53 discharge the released electrons. The thinner the ladder 50 are, the lower the shading of the cell substance. In the sense of a compromise the ohmic resistance must be kept small, at the same time the conductors must 50 be as thin as possible.

6 zeigt die gleiche Zelle, bei der die Ausleitung des negativen Potentials über drei Leiter 61, 62, 63 erfolgt. Nunmehr ist der Strom durch die dünnen Leiter 60 nur noch halb so gross, dementsprechend sinkt der Ohm'sche Verlust und/oder die Leiter 60 können dünner sein als die Leiter 50 in 5. Die gleiche Anordnung eignet sich für Sammelschienen, die aus einem S-förmig gebogenen Leiter 63 gebildet sind. 6 shows the same cell, where the discharge of the negative potential over three conductors 61 . 62 . 63 he follows. Now the current is through the thin conductors 60 only half as big, accordingly the ohmic loss and / or the ladder sinks 60 can be thinner than the ladder 50 in 5 , The same arrangement is suitable for busbars, which consist of an S-shaped bent conductor 63 are formed.

7 zeigt den Querschnitt der Zellen in 6 und die zusammenhängenden Leiter 71, 72, 73. Die Leiter weisen einen flachen Querschnitt auf, sodass die Beschattung der Zellen 75 möglichst klein ist. Mit der Zelle 75 ist ein Frustum 76 verklebt. Das Frustum 76 ist von einer Verbindungsscheibe 77 umgeben, damit keine Strahlen in den Raum unter dieser Scheibe gelangen können. 7 shows the cross section of the cells in 6 and the coherent ladder 71 . 72 . 73 , The conductors have a flat cross section, so that the shading of the cells 75 as small as possible. With the cell 75 is a frustration 76 bonded. The frustration 76 is from a connecting disk 77 surrounded so that no rays can get into the space under this disc.

Claims (16)

Photovoltaischer Energiewandler mit einem Konzentrator, einer Photozelle und einem optischen Element, das die Verteilung der Bestrahlung vergleichmässigt, bevor die Strahlung auf der Photozelle auftrifft, gekennzeichnet durch ein Gehäuse, das eine ebene Fläche mit guter Wärmeleitung aufweist, durch welches die Ableitung der Wärme an ein kühlendes Fluid erfolgt, wobei die ebene Fläche des Gehäuses von der photovoltaischen Zelle durch eine elektrisch isolierende Platte aus Leichtmetall-Nitrid getrennt ist.Photovoltaic energy converter with a concentrator, a photocell and an optical element that controls the distribution the radiation is uniform, before the radiation hits the photocell, marked through a housing, that a flat surface with good heat conduction through which the dissipation of heat to a cooling Fluid takes place, the flat surface of the housing of the photovoltaic Cell separated by an electrically insulating plate made of light metal nitride is. Photovoltaischer Energiewandler nach Anspruch 1, mit einer Diode, dadurch gekennzeichnet, dass die gut wärmeleitende Platte zwischen der ebenen Fläche des Gehäuses und einer Diode, die parallel zur photovoltaischen Zelle geschaltet ist, ein Leichtmetall-Nitrid enthält.Photovoltaic energy converter according to claim 1, with a diode, characterized in that the good heat conducting Plate between the flat surface of the housing and a diode connected in parallel with the photovoltaic cell is containing a light metal nitride. Photovoltaischer Energiewandler, bei dem die gut wärmeleitende Platte zwischen der ebenen Fläche des Gehäuses und der Diode, die parallel zur photovoltaischen Zelle geschaltet ist, aus Berylliumoxid besteht.Photovoltaic energy converter, where the good thermally conductive Plate between the flat surface of the housing and the diode connected in parallel to the photovoltaic cell is, consists of beryllium oxide. Photovoltaischer Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Photozelle und der Oberfläche der gut wärmeleitenden Platte durch einen Kunstharzkleber erfolgt, welcher Silberpulver enthält.Photovoltaic energy converter according to claim 1, characterized in that the connection between the photocell and the surface of the good heat conducting Plate is made by a synthetic resin adhesive, which silver powder contains. Photovoltaischer Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unter der photovoltaischen Zelle eine Metallschicht angeordnet ist, die zum Beispiel als Metallisierung oder als Folie ausgebildet ist.Photovoltaic energy converter according to claim 1, characterized in that under the photovoltaic cell a Metal layer is arranged, for example, as a metallization or is formed as a film. Photovoltaischer Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene Fläche des Gehäuses von einem Hohlzylinder umgeben ist.Photovoltaic energy converter according to claim 1, characterized in that the flat surface of the housing of a hollow cylinder is surrounded. Photovoltaischer Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlrippe so angeordnet ist, dass sie bei der grössten Neigung des Konzentrators noch Kontakt mit dem kühlenden Medium hat.Photovoltaic energy converter according to claim 1, characterized in that a cooling fin is arranged so that they are at the greatest inclination the concentrator still has contact with the cooling medium. Photovoltaischer Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ebenen Fläche des Gehäuses und der photovoltaischen Zelle eine Platte aus Metall Nitrid angeordnet ist, deren Dicke etwa einen Millimeter beträgt und die einen isolierenden Randbereich aufweist.Photovoltaic energy converter according to claim 1, characterized in that between the flat surface of the housing and the photovoltaic cell is arranged a metal nitride plate is, whose thickness is about one millimeter and the one insulating Has edge area. Photovoltaischer Energiewandler mit einer photovoltaischen Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass deren der Stahlungsquelle zugewandte Oberfläche in mehrere parallele Bereiche aufgeteilt ist, zwischen denen Leiter verlaufen.Photovoltaic energy converter with a photovoltaic Cell, characterized in that its facing the source of radiation surface divided into several parallel areas, between which ladder run. Photovoltaischer Energiewandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass drei Leiterabschnitte aus einem S-förmig gebogenen Leiter gebildet werden.Photovoltaic energy converter according to claim 9, characterized in that three conductor sections of an S-shaped bent Ladder are formed. Photovoltaischer Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element, die Intensität der konzentrierten Bestrahlung reduziert und aus einem Frustum aus Glas besteht, welches an einem Ende die Grösse der photovoltaischen Zelle aufweist und mit dieser verklebt ist.Photovoltaic energy converter according to claim 1, characterized in that the optical element, the intensity of the concentrated Radiation reduced and consists of a frustum of glass, which at one end the size having the photovoltaic cell and is glued to this. Photovoltaischer Energiewandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode thermisch über einen Wärmeleiter mit der gut wärmeleitenden Platte verbunden ist.Photovoltaic energy converter according to claim 2, characterized in that the diode thermally via a heat conductor with the good thermal conductivity Plate is connected. Photovoltaischer Energiewandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Diode und der gut wärmeleitenden Platte ein gut wärmeleitender Körper angeordnet ist, durch welchen die von der Diode erzeugte Wärme auf die ebene Fläche des Gehäuses geleitet wird.Photovoltaic energy converter according to claim 12, characterized in that between the diode and the good heat conducting Plate a good heat-conducting body is arranged, through which the heat generated by the diode the flat surface of the housing is directed. Verfahrennach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle auf die isolierende Platte unter der Wirkung von Ultraschall gelötet wird.Method according to claim 1, characterized that the cell on the insulating plate under the action of Ultrasound soldered becomes. Vorzugsweise quadratisch ausgebildete Photozelle zur Gewinnung von Elektrizität, deren strahlungsumwandelnde Schicht von hoch leitfähigen Dünndrähten durchzogen ist, die zur Ausleitung der Elektrizität mit Sammelschienen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der Mitte der Zelle verlaufende dritte Sammelschiene mit den hochleitfähigen Drähten in der strahlungswandelnden Schicht verbunden wird.Preferably square shaped photocell for the production of electricity, whose radiation-converting layer is penetrated by highly conductive thin wires is that connected to the outlet of electricity with busbars are characterized in that a running in the middle of the cell third busbar with the highly conductive wires in the radiation-converting layer is connected. Vorzugsweise quadratische Photozelle zur Gewinnung von Elektrizität nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelschiene aus Flachdraht gebildet wird, dessen breite Flächen senkrecht verlaufen.Preferably square photocell for recovery of electricity according to claim 15, characterized in that the busbar is formed of flat wire whose broad surfaces are perpendicular.
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