DE102010013423A1

DE102010013423A1 - Solarkollektor mit zur Kühlung benetzter Rückseite der photovoltaischen Elemente

Info

Publication number: DE102010013423A1
Application number: DE102010013423A
Authority: DE
Original assignee: RAH SOLAR GmbH; RAH-SOLAR GmbH
Current assignee: Rah Kraft De GmbH
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-02-10

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein rückseitig gekühltes solarelektrisches Panel, bei dem der Kühlmittelfluss durch ein Labyrinth erfolgt, das aus einer einseitig tiefgezogenen thermoplastischen Folie besteht, die auf die Rückseite der Solarzellen aufgebracht ist. Dem Kühlmittel kann die Wärme, z.B. zu Heizzwecken, entzogen werden, um damit Heizung und Warmwasser zu erzeugen, kann alternativ aber evtl. auch als Energie zum Betrieb von Klimaanlagen oder zur Speicherung in Niedertemperaturspeichern Verwendung finden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein photovoltaisches Element, das rückseitig gekühlt wird und genauer, auf einen Solarkollektor mit Kühlung durch ein rückseitiges, Kühlmittel-durchflossenes Labyrinth, das aus einer einseitig tiefgezogenen, thermoplastischen Folie besteht, die auf die Rückseite der Solarzellen aufgebracht ist. Eine Erweiterung der Erfindung betrifft die Wärmeabfuhr und Nutzung der in diesem Element gewonnenen solarthermischen Energie.
Aufgabenstellung
Seit den Untersuchungen von Chapell und White im Jahr 1975 ist bekannt, dass Solarelektrische Elemente, und hier insbesondere Silizium- und Dünnschichtzellen, durch die mit der Sonneneinstrahlung einher gehende Erwärmung in ihrer elektrischer Leistung beschränkt sind.
Daher hat es zahlreiche Vorschläge gegeben, diese Zellen zur Kühlung von einem Medium umströmen zu lassen, wie in US 6.583.349 und US 6.005.185 oder rückseitig zu kühlen, wie in DE 10 2004 002 900 A1 , oder die Wärme anderweitig abzuleiten, wie unter JP 2007-249962 / WO/2009/041561 .
Genial erscheint dabei zunächst, die Erwärmung des Kühlwassers zur Heizung von Brauchwasser zu nutzen, wie in DE 299 08 205 U1 , DE 100 06 277 A1 und DE 199 58 079-0 / WO 01/41220 A2 beschrieben.
Diese Nutzung wird jedoch durch einen Zielkonflikt behindert: Solarelektrische Zellen müssen, um nicht im Wirkungsgrad abzufallen, in einem Temperaturbereich unter 70°C gehalten werden.
Für solarthermische Nutzung, insbesondere für Nutzung als Prozesswärme, werden jedoch möglichst hohe Temperaturniveaus benötigt.
Die bisher vorgeschlagenen Lösungen gehen meist von Kühlschlangen auf thermisch leitfähigen Flächen aus, auf die die Solarmudule montiert werden. Doch selbst bei guter rückseitiger Isolation bildet sich zwischen Solarzellen und Kühlelementen ein Temparaturgradient, der die Erwärmung des Transfermediums auf 50 bis 55°C beschränkt.
Die nahe liegende Lösung, die solare Abwärme mittels Wärmepumpen auf ein gewünschtes Temperaturniveau anzuheben, ist dagegen – bezogen auf den Gesamtwirkungsgrad des Systems – kontraproduktiv. Zudem erhöhen beide Elemente, der Röhrenkühlkörper, wie auch eine nachgeschaltete Wärmepumpe die Kosten des Systems und lassen es schon aus diesem Grunde für eine kaufmännische Kalkulation undurchführbar erscheinen – was für die geringe Verbreitung dieser Module ursächlich sein dürfte.
Es ist daher Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Lösung zu finden, die mit geringem technischen Aufwand sowohl ein angemessen hohes Temperaturniveau des Kühlwassers unter Vermeidung der Überschreitung der Grenztemperatur von 70° für den Betrieb der Solarzellen gewährleistet.
Erfindungsgemäße Lösung
Dies wird erfindungsgemäß dadurch bewirkt, dass das Kühlmedium unmittelbar die Rückseite der Solarzellen benetzt, die ihrerseits mit einer dünnen Deckschicht unter Luftabschluß gehalten sind.
Um eine gleichmäßige Kühlung auf der ganzen Fläche zu erzielen, erfolgt der Zulauf des Kühlmittels über eine Rinne an der Oberkante, aus der mehrere einzelne Wasserstrahlen über die Fläche mäandernd zum Ablauf des Kühlmittels an der Unterkante geführt sind.
Um diese Kühlmittelführung zu erzielen, ist eine Rückplatte aus vorzugsweise thermoplastisch durch Tiefziehen geformter Folie so ausgeführt, dass die Kanäle, die sich durch ihre Ausformung gegenüber der Rückseite der Solarzellen ergeben, optimalem Kühlmittelfluss entsprechen.
Dabei ist diese Struktur in einer vorteilhaften Ausführung so gestaltet, dass das Kühlmedium von der Einlaufrinne sowohl direkt in Querkanäle mündet, wie auch senkrecht in Stichkanäle abläuft, die erst später quer verteilt werden, so dass die Wärmeabfuhr über die flache möglichst gleichmäßig erfolgt und nicht im unteren Teil nur bereits oben vorgeheiztes Kühlmedium zum Einsatz kommt.
Entscheidend dabei ist, das das Kühlmittel die Rückseiten der luftdicht eingeschlossenen Solarzellen unmittelbar benetzt und kein Temperaturgradient zwischen Solarzellen, dem Übergang zu einer Kühlfläche und zwischen dieser und den zugehörigen Kühlkanälen auftritt, so wie dies bei allen bisher bekannten Formen der rückseitig gekühlten Solarzellen der Fall ist.
Dabei ist es weiter vorteilhaft, dass derartige thermoplastische Materialien ohnehin thermisch isolieren. Da der Durchlauf vorzugsweise mit leichtem Druck von 1 bis 2 bar erfolgen soll, ist auch eine gewisse Eigensteife und damit Materialdicke erforderlich.
Weiter ist der Einsatz eines derart strukturierten Aufbaus auch dahingegend vorteilhaft, dass diese Tiefzieh-Rückwand, vorzugsweise mit einer weiteren rückseitigen Isolations- und Deckschicht, als tragende Einheit ausgebildet sein und eine sonst für die Steife der Module unabdingbare Rahmenkonstruktion ersetzen kann.
Im Gegensatz zu konventionellen Solarmodulen sind daher auch keine aufwändigen Vorrichtungen zum mechanischen Aufbau erforderlich, vielmehr können etwas verbreiterte Ränder der Tiefzieh-Rückwand direkt mit dem Unterbau verschraubt, und vorteilhaft mit einem Nut-und-Feder- oder Click-In-System (wie bei Wandpaneelen und Fertigparkett verbreitet) miteinander verbunden und gegeneinander abgedichtet sein, um so komplette Dachflächen aufzubauen.
Neben der konstruktiv bedingten Isolation zwischen Kühlmedium und Umgebungsluft ist es auch hinsichtlich des thermischen Wirkungsgrades von Vorteil, die Rückseite des Moduls weiter zu isolieren, um eine möglichst hohe Betriebstemperatur des Kühlmittels zu erhalten und diese erst jenseits der Grenztemperatur von 70° in einem Wärmetauscher abzuführen.
Insgesamt ergibt sich der also thermische Gewinn im Kühlmittel aus der unmittelbaren Ableitung der Aufheizung der Solarzellen an ihrer Rückseite in Verbindung mit der guten thermischen Isolation des Moduls.
Es sind damit bei geeigneter Steuerung des Umlaufs und der ableitenden Wärmetauscher Betriebstemperaturen von ca. 65° zu erzielen, die sich als Vorlauftemperatur für Warmwasserversorgung und Heizung eignen.
Jedoch ist zu erwarten, dass sich die Grenztemperatur der Energieausbeute bei solarelektrischen Elementen weiter zu höheren Temperaturen verschiebt, denn Forschung und Entwicklung an diesen Zellen, die sich ja vorwiegend auf die Anwendung ohne zusätzliche Kühlung beziehen, haben die Temperaturgrenze, insbesondere bei Dünnschichtzellen, ohnehin von früheren 40°C auf das derzeitige Niveau gebracht. Es ist daher, insbesondere beim zunehmenden Einsatz Seltener Erden in den Dotierungen, zu erwarten, dass sich die Grenztemperatur höher hinausschieben lässt und sich damit die Nutzung des solarthermischen Anteils der eingestrahlten Energie weiter verbessern lässt.
In einer einfachen Ausführung kann das Kühlmittel, bei geeignet schräger Aufstellung der Module, nur in die obere Einlaufrinne gepumpt werden, von wo aus es sich bis zum Ablauf durch Schwerkrafteinwirkung bewegt.
Da hierfür jedoch bereits eine durch Pumpen unterstützte Zirkulation erforderlich ist, erscheint es folgerichtig, das Kühlmittel unter – zumindestens geringem Druck zum Umlauf zu bringen.
Dabei wird Pumpenleistung und Druck zweckmäßig dem gewünschten Wärmeaustrag angepasst, was im einfachstzen Fall durch proportionale Abzweigung des Pumpenstromes aus der gewonnenen photovoltaischen Energie erfolgen kann. Besser kann dies jedoch durch Steuerung mittels im Kühlkreislauf angeordneter Thermosensoren geschehen, die auch die Ventile zur Steuerung des Brauchwasserkreislaufes auf unterschiedliche Verbraucher oder Wärme-Abfuhrsysteme steuern.
Erweiterungen
In einer erweiterten Ausführungen der Erfindung wird die Wärmeabfuhr und die Nutzung der solarthermischen Energie beschrieben:
Hierzu wird das Kühlmedium nach Durchlauf des Solarkollektors vorzugsweise durch einen Wärmetauscher geführt, dessen sekundäre Seite im Notfall nur zur Wärmeabfuhr, z. B. in einem Luftwärmekühler oder ins die Erde bzw. ins Grundwasser über Erdwärmesonden erfolgt – die jeweils, bei nicht mehr primär nutzbarer thermischer Überschussenergie, zugeschaltet werden.
Im Regelfall wird damit jedoch der Heiz- oder Warmwasserkreislauf eines Hauses beschickt, wobei dieser im Falle sehr geringer Außentemperaturen und niedriger Temperatur des Hauswasser-Zulaufs, jedoch hoher Sonneneinstrahlung, bedarfsweise auch mit einer zugeschalteten und damit solar betriebenen Wärmepumpe (notfalls aber auch mit Netzstrom oder dem Motor in der Technik eines Blockheizkraftwerkes) auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden kann.
Zudem ist es möglich, Niedrigtemperatur-Wasserspeicher damit zu erwärmen und thermische Vorratsenergie zu speichern. Dies ist z. B. über Erdwärmesonden denkbar, die ins Grundwasser reichen oder auch nur (ein dann größeres Volumen von Erdreich) erwärmen.
Das große Speichervolumen erlaubt hier auch eine Nutzung zum jahreszeitlichen Ausgleich. Dabei erlaubt die Speicher-Vorwärmung ein Verhindern des Einfrierens von Erdwärmesonden in strengen Wintern, was bislang die Nutzung von Wärmepumpen zur Gewinnung von Heizenergie aus Erdspeichern und dem Grundwasser gerade in strengen Wintern verhindert.
Als Niedrigtemperatur-Wasserspeicher eignen sich natürlich auch Swimmingpools, deren Kapazität jedoch an heißen Tagen schnell erreicht sein kann, soweit das Badewasser noch zur Erfrischung dienen soll.
Weiter möglich ist auch der Betrieb einer Klimaanlage, indem der Austreiber eines Ad- oder Absorbersystems mit der Solarwärme betrieben wird. Dies erscheint bei den gegebenen Temperaturniveaus jedoch nur bei hoher Sonneneinstrahlung und dementsprechend großer Durchlaufmenge des Kühlmittels und dessen möglichst verlustfreier Einleitung in den Austreiber – d. h. also ohne lange Leitungen – sinnvoll, wird aber bei Steigerung der Grenztemperatur der solarelektrischen Zellen zunehmend interessant.
Andererseits ist eine Klimaanlage in mittleren Breiten in der Regel auch nur dann erforderlich, wenn die eingestrahlte solare Energie entsprechend hoch ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen 1 bis 3 näher erläutert:
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Solarkollektor im Schnitt,
2 zeigt eine musterhafte Ausführung der Rückseite aus tiefgezogener Folie.
3 zeigt in einem Flussdiagramm die Möglichkeiten und Optionen der Abfuhr und Nutzung der Solarwärme.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:
1 zeigt den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Solarkollektors 1 mit den Solarzellen 2 auf der Vorderseite, der oberen Zulaufrinne des Kühlmittels 3, weiter die Tiefzieh-Folie 4, die gegenüber den Rückseiten 5 der Solarzellen 2 die Kühlkanäle 6 und die Ablaufrinne 7 definiert, sowie eine optionale rückseitige thermische Isolierung 8, die aus expandiertem Polystyrol (z. B, ”Styropor^®”), Glasfaser-Filz oder ähnlichem bestehen kann, sowie die ebenfalls optionale Rückwand 9.
2 zeigt den Solarkollektor 1 von der Rückseite ohne Rückwand und Isolierung. Zu erkennen ist die Tiefziehfolie 4 mit dem in sie eingeformten Zulauf 10 mit Zulaufrinne 3, sowie den ebenfalls eingeformten Kühlkanälen 6 und der Ablauf 7.
Wie weiter dargestellt, erfolgt der Kühlmittelfluss durch Auftrennungen 11 und 12 in unterschiedliche Ströme, die zunächst nur zum kleinen Teil mittig verlaufen, vornehmlich aber nach Führung durch die Verteilelemente 13 an den äußeren Rändern, von wo sie durch das Gefälle der Kühlkanäle 6 zum Mittenkanal zusammengeführt werden, während der größere Teil des Wasserstroms weiterhin außen und erst im unteren Teil des Panels nach innen (14) und zum Abfluß 7 verlaufen.
Fig. 3
Stellt die Energieabfuhr in Form eines Flussdiagramms dar:
Der Zufluss erwärmten Kühlmittels 15 von den Solarkollektoren 16 erfolgt primär zum Wärmeaustauscher für die Warmwasserversorgung 17 und kann, wenn dort die erforderliche Vorlauftemperatur erreicht ist, wahlweise für den Wärmeaustreiber eines Kühlmoduls 18, zur Heizung des Swimmingpools 19, zur Speicherung in Erdwärmeschlangen 20 oder -Sonden 21 genutzt oder notfalls über einen Luftwärmetauscher 22 abgegeben werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6583349 [0003]
- US 6005185 [0003]
- DE 102004002900 A1 [0003]
- JP 2007-249962 [0003]
- WO 2009/041561 [0003]
- DE 29908205 U1 [0004]
- DE 10006277 A1 [0004]
- DE 19958079 [0004]
- WO 01/41220 A2 [0004]

Claims

Solarkollektor mit mindestens einem frontseitigen solarelektrischen Element und der Kühlung von dessen Rückseite zur Nutzung der solarthermischen Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite der luftdicht verschlossenen solarelektrischen Zellen unmittelbar vom Kühlmedium benetzt sind.
Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung des Kühlmittels durch eine auf die Solarzellen aufgebrachte Leitstruktur in Form einer entsprechend strukturierten Folie oder Leitblechs erfolgt.
Solarkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitstruktur aus einer aus thermoplastischer Folie tiefgezogenen Einheit besteht.
Solarkollektor nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie selbst aus einem thermisch isolierenden Material besteht.
Solarkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dass das Kühlmedium von einem oberseitigen, rinnenartigen Verteiler über mehrere Auslasse auf die Rückseite der Solarzellen erfolgt.
Solarkollektor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium auf der Rückseite der Solarzellen in mäandernden Bahnen von einer oberen Zulaufrinne zu einer unten angebrachten Ablaufrinne geführt ist.
Solarkollektor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium auf der Rückseite der Solarzellen über mehrere Verzweigungen ein Labyrinth von außen zu einer Mittelachse hin durchläuft, wobei die einzelnen Kanäle abschüssig zur Mitte hin ausgerichtet sind.
Solarkollektor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium auf der Rückseite der Solarzellen über mehrere Verzweigungen ein Labyrinth von einer inneren Mittelachse zu Ableitungskanälen an den Rändern hin durchläuft, wobei die einzelnen Kanäle abschüssig zum Rand hin ausgerichtet sind.
Solarkollektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Bahnen nach unten hin ab- und die Auslenkung zunimmt.
Solarkollektor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium nur durch Schwerkraft fließt.
Solarkollektor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium unter einem Druck von 1–2 bar durch die Bahnen gepresst wird.
Solarkollektor nach Anspruch 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck durch eine Pumpe erzeugt wird, die das Kühlmedium in die Zulaufrinne einpresst.
Solarkollektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe mit elektrischer Energie betrieben ist, die aus der Abgabeleistung der Solarzelle abgezweigt ist.
Solarkollektor nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluss des Kühlmediums durch Steuerung der Pumpenleistung dem erforderlichen Wärmeabtrag angepasst ist.
Solarkollektor nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluss des Kühlmediums sich mit der Pumpenleistung dadurch selbsttätig ergibt, dass ein festes Verhältnis zwischen elektrischer Leistung und Pumpenleistung besteht.
Solarkollektor nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluss des Kühlmediums durch Steuerung der Pumpenleistung nach Vorgabe thermischer Sensoren im Kühlkreislauf erfolgt.
Solarkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrag der thermischen Leistung aus dem Kühlmedium durch Wärmetauscher erfolgt.
Solarkollektor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmetauscher in Verbindung mit der Zulaufregulierung durch ein Ventilsystem Verwendung finden.
Solarkollektor nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher den Heizkreislauf eines Hauses mit thermischer Energie versorgt.
Solarkollektor nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher den Warmwasserkreislauf eines Hauses mit thermischer Energie versorgt.
Solarkollektor nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher den Niedrigtemperatur-Wasserspeicher eines Hauses oder einer Siedlung beschickt.
Solarkollektor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedrigtemperatur-Wasserspeicher ein Swimmingpool ist, der über ein Ventilsystem wunschgemäß temperiert wird.
Solarkollektor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedrigtemperatur-Wasserspeicher ein Teil des Grundwassers ist, das über ein System von Erdwärmesonden erwärmt wird.
Solarkollektor nach Anspruch 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmetauscher oder Warmwasserspeicher oder Niedrigtemperatur-Wasserspeicher eine Wärmepumpe zur Erhöhung des Temperaturniveaus nachgeschaltet ist.
Solarkollektor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe mit einer Auskopplung eines Teils der solarelektrisch gewonnenen Energie betrieben ist.
Solarkollektor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe so lange mit Netzstrom betrieben wird, wie die Kosten des Netzstromes niedriger liegen, als die Erlöse aus der Einspeisevergütung.
Solarkollektor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Komparatorelement den in das Stromnetz codierten derzeitigen Verbrauchstarif abruft und nach Abgleich mit einer manuell eingebenen Einspeisevergütung die Stromquelle entsprechend umschaltet.
Solarkollektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrag der Wärmeenergie in den Austreiber einer Ab- oder Adsorber-Kühlanlage, z. B. zur Klimatisierung eines Hauses, erfolgt.
Solarkollektor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefzieh-Element der Leitstruktur über die Führung des Kühlmittels hinaus einen Rand zur mechanischen Befestigung der Elemente aufweist.
Solarkollektor nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder mehrerer Module durch eine Nut-und-Feder-Verbindung mechanisch sicher und dicht zum Aufbau geschlossener Dachflächen ausgebildet sind.
Solarkollektor nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder mehrerer Module durch eine bei winkeligem Ansatz und nachfolgendem Absenken in einer wechselseitig ausgebildeten Fangnut gegenüber einer einrastenden zylindrischen Randverdickung (sog. Click-Rast-System) mechanisch sicher und dicht zum Aufbau geschlossener Dachflächen ausgebildet sind.