DE102010041012A1 - Solar cell module and solar cell arrangement - Google Patents

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Abstract

Solarzellenmodul, insbesondere auf der Basis von kristallinem Silizium, welches in thermischem Kontakt mit einem bei erhöhter Modultemperatur als Wärmesenke wirkenden Latentwärmespeicher steht.Solar cell module, in particular based on crystalline silicon, which is in thermal contact with a latent heat accumulator acting as a heat sink at an increased module temperature.

Description

Die Erfindung betrifft ein Solarzellenmodul, insbesondere auf der Basis von kristallinem Silizium, sowie eine aus derartigen Modulen aufgebaute Solarzellenanordnung.The invention relates to a solar cell module, in particular based on crystalline silicon, and a solar cell arrangement constructed from such modules.

Stand der TechnikState of the art

Solarzellenmodule erwärmen sich stark unter Einwirkung von Sonnenlicht. Einerseits steigt die Leistung mit zunehmender Einstrahlung, aber ebenso erhöht sich die Modultemperatur welche sich negativ auf die Leistungsausbeute auswirkt. Ausgehend von 25°C beträgt die Leistungsminderung ca. 0,5% pro Grad Erwärmung. D. h., wenn ein Modul bei 25°C Modultemperatur 200 W Leistung abgeben kann, reduziert sich die Leistung bei 75°C Modultemperatur auf 150 W Leistung (Einstrahlung konstant).Solar cell modules heat up strongly under the influence of sunlight. On the one hand, the power increases with increasing irradiance, but also increases the module temperature which has a negative effect on the power output. Starting at 25 ° C, the power reduction is about 0.5% per degree of warming. This means that if a module can output 200 W at 25 ° C module temperature, the power at 75 ° C module temperature is reduced to 150 W (constant radiation).

1 verdeutlicht diese Zusammenhänge anhand einer Schar von Kurven, die die Modulleistung bei unterschiedlichen Modultemperaturen und bei konstanter Einstrahlung von 1000 W/m2 zeigen. Auf der Abszisse ist die Modulspannung U in V und auf der Ordinate die Modulleistung P in W aufgetragen. Mit A ist der sogenannte UMPP-Bereich bezeichnet. 1 illustrates these relationships using a set of curves that show the module performance at different module temperatures and at constant irradiance of 1000 W / m 2 . On the abscissa the module voltage U in V and on the ordinate the module power P in W is plotted. A denotes the so-called U MPP region.

Es ist bekannt, zur Vermeidung der Überhitzung von Photovoltaik-Anlagen bei starker Sonneneinstrahlung und hohen Außentemperaturen eine Aktivkühlung, insbesondere mittels Lüftern bzw. Gebläsen, vorzusehen. In der DE 20 2007 002 087 U1 wird eine Flüssigkeitskühlung für Photovoltaik-Anlagen vorgeschlagen, die einen Niedertemperatur-Stirlingmotor umfasst.It is known to provide an active cooling, in particular by means of fans or blowers to avoid overheating of photovoltaic systems in strong sunlight and high outside temperatures. In the DE 20 2007 002 087 U1 a liquid cooling system for photovoltaic systems is proposed, which includes a low-temperature Stirling engine.

Nachteilig bei aktiven Kühlsystemen ist der für deren Betrieb erforderliche Energieaufwand, der unweigerlich zu einer Verringerung der Gesamt-Energieausbeute der Photovoltaik-Anlage führt.A disadvantage of active cooling systems is the energy required for their operation, which inevitably leads to a reduction in the total energy yield of the photovoltaic system.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Solarzellenmodul, insbesondere auf der Basis von kristallinem Silizium, welches in thermischem Kontakt mit einem bei erhöhter Modultemperatur als Wärmesenke wirkenden Latentwärmespeicher steht. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine entsprechende Solarzellenanordnung. In beiden Varianten der Erfindung ist der Latentwärmespeicher insbesondere als Komponente des Solarzellenmoduls oder der Solarzellenanordnung realisiert, er kann aber auch separat gefertigt und geliefert und erst zum Gebrauch mit dem Modul bzw. der Anordnung in Kontakt gebracht werden.The present invention is a solar cell module, in particular based on crystalline silicon, which is in thermal contact with a latent heat storage acting as a heat sink at elevated module temperature. The invention further relates to a corresponding solar cell arrangement. In both variants of the invention, the latent heat storage is realized in particular as a component of the solar cell module or the solar cell array, but it can also be manufactured and delivered separately and brought into contact with the module or the arrangement only for use.

Die Erfindung beruht auf dem Effekt einer latenten Wärmespeicherung, d. h. durch einen physikalischen Umwandlungsprozess wird eine große Menge an Wärme gespeichert, ohne dass es zu einer Temperaturänderung kommt. In der Phase direkter Sonneneinstrahlung erwärmt sich das Modul zeitverzögert, da das Wärmespeichergranulat Wärmeenergie für eine gewisse Zeitdauer aufnehmen kann ohne sich zu erwärmen. In dieser sonnenreichen Phase kann das Modul mit einem höheren Wirkungsgrad (da kälter) arbeiten. In der anschließenden Bewölkungsphase sinkt die Modultemperatur, und das Granulat kann seine gespeicherte Energie an die Umgebung abgeben und damit wieder Wärmespeicherkapazität für die nächste Sonnenscheinphase aufbauen. Diese Lösung ist also besonders vorteilhaft einsetzbar bei zyklisch wechselnder Bewölkungssituation, wie sie häufig im nördlicheren Europa anzutreffen sind.The invention is based on the effect of latent heat storage, d. H. By a physical conversion process, a large amount of heat is stored without causing a temperature change. In the direct sunlight phase, the module heats up with a time delay because the heat storage granules can absorb heat energy for a certain period of time without getting warm. In this sunny phase, the module can work with a higher efficiency (colder). In the subsequent clouding phase, the module temperature drops, and the granules can release their stored energy to the environment and thus build up heat storage capacity for the next sunshine phase. This solution is therefore particularly advantageous for cyclically changing clouding situation, as they are often found in northern Europe.

In einer Ausführung der Erfindung weist der Latentwärmespeicher einen flachen Wärmespeicherkörper auf, der in Flächenkontakt auf einer Rückseite des Solarzellenmoduls angeordnet ist, insbesondere einen überwiegenden Teil der Rückseite bedeckt. Dieser Aufbau ist konstruktiv besonders einfach und bei der Montage einer Photovoltaik-Anlage leicht zu handhaben, da die Mittel zur Wärmespeicherung und Verhinderung einer die Energieausbeute drastisch verringernden Erhitzung auf Modul-Ebene integriert sind und die Grundform sowie Handhabung der Module nicht wesentlich verändern.In one embodiment of the invention, the latent heat storage on a flat heat storage body, which is arranged in surface contact on a back side of the solar cell module, in particular covers a major part of the back. This structure is structurally particularly simple and easy to handle during installation of a photovoltaic system, since the means for heat storage and prevention of the energy yield drastically reducing heating are integrated at the module level and do not significantly change the basic shape and handling of the modules.

Gemäß einer alternativen Ausführung der Erfindung ist der erwähnte Wärmespeicherkörper in Flächenkontakt mit der Anordnungs-Rückseite der Solarzellenanordnung als Ganzes zugeordnet, wird also erst bei deren Montage aus den einzelnen Solarzellenmodulen eingebaut und mit den Solarzellen thermisch verbunden. Dies ermöglicht es, eine erfindungsgemäße Anordnung grundsätzlich aus im Wesentlichen um veränderten handelsüblichen Solarzellenmodulen aufzubauen. Andererseits ist dann bauseits ein gewisser zusätzlicher Aufwand erforderlich.According to an alternative embodiment of the invention, the heat storage body mentioned in surface contact with the rear side of the array of solar cells is assigned as a whole, so it is installed only during their assembly from the individual solar cell modules and thermally connected to the solar cells. This makes it possible to construct an arrangement according to the invention in principle essentially from modified commercial solar cell modules. On the other hand, then a certain additional effort is required on site.

Möglich ist auch eine Ausführung, bei der der Latentwärmespeicher der Solarzellenanordnung als Ganzes zugeordnet ist, jedoch nicht in Form eines rückseitig angebrachten flachen Wärmespeicherkörpers, sondern in anderer Form und räumlicher Zuordnung; siehe dazu auch weiter unten.Also possible is an embodiment in which the latent heat storage of the solar cell assembly is assigned as a whole, but not in the form of a rear-mounted flat heat storage body, but in a different form and spatial allocation; see also below.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist der Latentwärmespeicher, insbesondere ein Wärmespeichergranulat auf, welches in einen Wärmespeicherkörper mit geschlossener Außenform eingebracht ist. Ein Wärmespeicherkörper, in dem das Wärmespeichergranulat eingebracht bzw. eingebettet ist, kann die bereits weiter oben angesprochene, an das Solarzellenmodul angepasste flache Gestalt haben. Ein solcher Wärmespeicherkörper kann auch als Zubehörteil zu üblichen Solarzellenmodulen gefertigt und vertrieben und gegebenenfalls nachträglich in vorhandene Photovoltaik-Anlagen eingebaut werden. Speziell wenn der Latentwärmespeicher auf Solarzellenanordnungs-Ebene erstellt wird, ist aber auch der Einsatz einer losen Schüttung des Wärmespeichergranulats möglich, in die die Solarzellenanordnung bzw. wesentliche Teile hiervon rückseitig eingebettet werden.In a further embodiment of the invention, the latent heat storage, in particular a heat storage granules, which is introduced into a heat storage body with a closed outer mold. A heat storage body, in which the heat storage granules are introduced or embedded, can have the already mentioned above, adapted to the solar cell module flat shape. Such a heat storage body can also manufactured and sold as an accessory to conventional solar cell modules and optionally retrofitted into existing photovoltaic systems. Especially when the latent heat storage is created on solar cell array level, but also the use of a loose bed of heat storage granules is possible, in which the solar cell array or essential parts thereof are embedded on the back.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, zur Vermittlung des thermischen Kontakts zwischen dem Solarzellenmodul bzw. der Solarzellenanordnung und dem Latentwärmespeicher ein, insbesondere metallisches, Wärmeleitelement einzubauen. Ein solches Wärmeleiterelement kann den thermischen Kontakt verbessern bzw. vergleichsmäßigen, und zwar auch dann, wenn ohnehin eine größere Kontaktfläche zwischen den Solarzellen und dem Latentwärmespeicher vorhanden ist. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines zusätzlichen Wärmeleiterelementes aber bei geometrischen Konfigurationen, bei denen nur eine relativ kleine Kontaktfläche realisiert werden könnte, so dass das Wärmeleiterelement als Wärmesammeleinrichtung dient.In a further embodiment of the invention is provided to establish the thermal contact between the solar cell module or the solar cell assembly and the latent heat storage a, in particular metallic, heat conduction. Such a heat conductor element can improve the thermal contact or comparative, even if there is a larger contact area between the solar cell and the latent heat storage anyway. Particularly advantageous is the use of an additional heat conductor element but in geometric configurations in which only a relatively small contact surface could be realized, so that the heat conductor element serves as a heat collecting device.

Zur Realisierung des Latentwärmespeichers sind verschiedenartige Materialien bekannt, die höchst unterschiedliche Phasenübergangstemperaturen haben und deren sinnvolle Auswahl und Kombination die Realisierung eines Latentwärmespeichers mit für die Ausführung der Erfindung geeigneten Parametern ermöglicht. In einer aus derzeitiger Sicht bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass eine Phasenübergangstemperatur des Latentwärmespeichers im Bereich zwischen 20°C und 80°C vorgesehen ist.For the realization of the latent heat storage various materials are known which have very different phase transition temperatures and their meaningful selection and combination allows the realization of a latent heat storage with suitable parameters for the execution of the invention. In a preferred embodiment from the present point of view, it is provided that a phase transition temperature of the latent heat store in the range between 20 ° C and 80 ° C is provided.

Zeichnungendrawings

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the drawings have only descriptive character and are not intended to limit the invention in any way. Show it:

1 eine grafische Darstellung zur Verdeutlichung der Auswirkung erhöhter Temperaturen auf die Leistungsfähigkeit von Solarzellenmodulen, 1 a graphical representation to illustrate the effect of elevated temperatures on the performance of solar cell modules,

2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, 2 a schematic representation of an embodiment of the invention,

3 eine weitere schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und 3 a further schematic representation of an embodiment of the invention and

4 eine weitere schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. 4 a further schematic representation of an embodiment of the invention.

2 zeigt in einer geschnittenen perspektivischen Darstellung schematisch ein Solarzellenmodul 1 mit einem integral auf die Rückseite aufgebrachten Latentwärmespeicher 3, der hier als auf das Solarzellenmodul umfangs-konform aufgegossene Kunststoffplatte mit einer Wärmespeichergranulat-Füllung 5 ausgeführt ist. Sämtliche technische Einzelheiten des Solarzellenmoduls, mit Ausnahme eines vorderseitigen Deckglases 1a sind in dieser Darstellung fortgelassen. 2 shows in a sectional perspective view schematically a solar cell module 1 with an integrally applied to the back of latent heat storage 3 , the here as on the solar cell module circumferentially conformed poured plastic plate with a heat storage granules filling 5 is executed. All technical details of the solar cell module, except for a front cover glass 1a are omitted in this illustration.

3 zeigt schematisch eine Solarzellenanordnung 7 aus matrixförmig aneinandergereihten Solarzellenmodulen 1. Diese ruhen auf Metall-Montagebändern 9, deren freien Enden wiederum auf einem Träger 11 ruhen und die auf dem Träger 11 gegenüberliegenden langen Seitenkanten der Anordnung in die Deckfläche eines Wärmespeicherkörpers 13 übergehen, der als Kasten ausgeführt und vollständig mit einem (nicht dargestellten) Wärmespeichergranulat gefüllt ist. Die metallischen Montagebänder 9 und der Deckel des Wärmespeicherkörpers 13 dienen als Wärmeleitelemente zur Wärmeübertragung zwischen den Rückseiten der Solarzellenmodule 1 und dem Wärmespeichergranulat im Kasten 13. Die seitliche Anordnung des Wärmespeicherkörpers kann Vorteile für die Montage der Solarzellenanordnung bringen oder z. B. eine abgeschattete Unterbringung des Wärmespeicherkörpers und damit die Erreichung einer besseren Wirkung ermöglichen. 3 schematically shows a solar cell array 7 from matrixed solar cell modules 1 , These rest on metal mounting bands 9 whose free ends turn on a support 11 rest and those on the carrier 11 opposite long side edges of the assembly in the top surface of a heat storage body 13 pass, which is designed as a box and completely filled with a (not shown) heat storage granules. The metallic assembly lines 9 and the lid of the heat storage body 13 serve as heat-conducting elements for heat transfer between the backs of the solar cell modules 1 and the heat storage granules in the box 13 , The lateral arrangement of the heat storage body can bring benefits for the assembly of the solar cell array or z. B. allow a shaded accommodation of the heat storage body and thus the achievement of a better effect.

4 zeigt – wiederum rein schematisch und unter Fortlassung sämtlicher nicht erfindungswesentlicher Einzelheiten der Solarzellenmodule und -anordnung – als weitere Realisierung der Erfindung eine weitere Solarzellenanordnung 7' aus Solarzellenmodulen 1. Hierbei sind die Module 1 auf jeweils längs ihrer Längskanten verlaufenden Trägern 11' in einer Wanne 15 gelagert, die sich über die gesamte Fläche der Solarzellenanordnung erstreckt und mit Wärmespeichergranulat 5 gefüllt ist. Die Solarzellen liegen also mit ihren Rückseiten direkt in das Wärmespeichergranulat eingebettet und haben mit diesem eine Kontaktfläche, die nahezu gleich ihrer (rückseitigen) Oberfläche ist. Das Vorsehen zusätzlicher Wärmeleiterelemente ist bei dieser Anordnung verzichtbar. 4 shows - again purely schematically and omitting all not essential to the invention details of the solar cell modules and arrangement - as a further realization of the invention, a further solar cell array 7 ' from solar cell modules 1 , Here are the modules 1 on each along their longitudinal edges extending straps 11 ' in a tub 15 stored, which extends over the entire surface of the solar cell array and with heat storage granules 5 is filled. The solar cells are thus embedded with their backs directly into the heat storage granules and have with this a contact surface which is almost equal to their (back) surface. The provision of additional heat conductor elements is dispensable in this arrangement.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Solarzellenmodul, insbesondere auf der Basis von kristallinem Silizium, welches in thermischem Kontakt mit einem bei erhöhter Modultemperatur als Wärmesenke wirkenden Latentwärmespeicher steht.Solar cell module, in particular based on crystalline silicon, which is in thermal contact with an acting at elevated module temperature as a heat sink latent heat storage. Solarzellenmodul nach Anspruch 1, wobei der Latentwärmespeicher einen flachen Wärmespeicherkörper aufweist, der in Flächenkontakt auf einer Rückseite des Solarzellenmoduls angeordnet ist und insbesondere einen überwiegenden Teil der Rückseite bedeckt.Solar cell module according to claim 1, wherein the latent heat accumulator has a flat heat storage body, which is arranged in surface contact on a back side of the solar cell module and in particular covers a major part of the back. Solarzellenmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Latentwärmespeicher ein Wärmespeichergranulat aufweist, welches in einen Wärmespeicherkörper mit geschlossener Außenform eingebracht ist.Solar cell module according to claim 1 or 2, wherein the latent heat storage comprises a heat storage granules, which is introduced into a heat storage body with a closed outer mold. Solarzellenmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur Vermittlung des thermischen Kontakts zwischen dem Solarzellenmodul und dem Latentwärmespeicher ein, insbesondere metallisches, Wärmeleitelement, vorgesehen ist.Solar cell module according to one of the preceding claims, wherein for the mediation of the thermal contact between the solar cell module and the latent heat storage a, in particular metallic, heat conduction element, is provided. Solarzellenmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Phasenübergangstemperatur des Latentwärmespeichers im Bereich zwischen 20°C und 80°C vorgesehen ist.Solar cell module according to one of the preceding claims, wherein a phase transition temperature of the latent heat storage in the range between 20 ° C and 80 ° C is provided. Solarzellenanordnung aus einer Mehrzahl von Solarzellenmodulen, insbesondere auf der Basis von kristallinem Silizium, wobei die Solarzellenanordnung in thermischem Kontakt mit einem als Wärmesenke wirkenden Latentwärmespeicher steht.Solar cell arrangement of a plurality of solar cell modules, in particular based on crystalline silicon, wherein the solar cell assembly is in thermal contact with a heat sink acting as a latent heat storage. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Latentwärmespeicher einen flachen Wärmespeicherkörper aufweist, der in Flächenkontakt auf einer Rückseite der Solarzellenanordnung angeordnet ist und insbesondere einen überwiegenden Teil der Rückseite bedeckt.Solar cell arrangement according to claim 1, wherein the latent heat accumulator has a flat heat storage body, which is arranged in surface contact on a back side of the solar cell array and in particular covers a major part of the back. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Latentwärmespeicher ein Wärmespeichergranulat aufweist, welches insbesondere in einen Wärmespeicherkörper mit geschlossener Außenform eingebracht ist.Solar cell arrangement according to claim 1 or 2, wherein the latent heat storage comprises a heat storage granules, which is introduced in particular in a heat storage body with a closed outer mold. Solarzellenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur Vermittlung des thermischen Kontakts zwischen der Solarzellenanordnung und dem Latentwärmespeicher ein, insbesondere metallisches, Wärmeleitelement, vorgesehen ist.Solar cell arrangement according to one of the preceding claims, wherein for the mediation of the thermal contact between the solar cell array and the latent heat storage a, in particular metallic, heat conduction element, is provided. Solarzellenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Phasenübergangstemperatur des Latentwärmespeichers im Bereich zwischen 20°C und 80°C vorgesehen ist.Solar cell arrangement according to one of the preceding claims, wherein a phase transition temperature of the latent heat storage in the range between 20 ° C and 80 ° C is provided.
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