DE102010051565A1

DE102010051565A1 - Elektrische Anlage zur Erhöhung der Arbeitsleistung einer Photovoltaikzelle

Info

Publication number: DE102010051565A1
Application number: DE201010051565
Authority: DE
Inventors: Joachim Kleber
Original assignee: SOLAR REAL CONTACT GmbH
Current assignee: SOLAR REAL CONTACT GmbH
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Anlage zur Temperaturstabilisierung der Temperatur der sonnenabgewandten Seite einer Photovoltaikzelle mit Annäherung an die normierte Temperatur der Photovoltaikzelle mit der Folge einer Arbeitssteigerung und Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie sowie darüber hinaus die Umwandlung der daraus gewonnenen Wärme in elektrische Energie auch in der Zeit, in der kein photovoltaischer Effekt anliegt, so dass eine dauerhafte Abgabe von elektrischer Energie erfolgt (Grundlastmodul). Der dadurch erzeugte Strom ist zu quantifizieren auf bis zu dem Dreifachen in einer vergleichbaren Zeiteinheit mit herkömmlichen handelsüblichen Modulen. Zudem besteht die Möglichkeit, über die Kaskadenschaltung eine Justierung vorzunehmen, die es ermöglicht die Menge des Stroms in der Zeit, in der kein photovoltaiischer Effekt vorliegt, der Menge des Stroms, die bei Vorliegen des photovoltaiischen Effektes entsteht, anzupassen in Abhängigkeit des jeweiligen Bedarfs. Mit dieser Erfindung ist eine ununterbrochene Stromerzeugung witterungsunabhängig möglich.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Anlage zur Erhöhung der Arbeitsleistung einer Photovoltaikzelle. Anwendungsgebiete der Erfindung sind Gebiete der Solarenergiegewinnung und Solarenergienutzung.
Die photovoltaische Energieumwandlung, also die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie, findet mit Hilfe von Solarzellen in Photovoltaikanlagen statt. Die Wirkungsweise einer solchen Zelle beruht auf dem hinreichend bekannten photovoltaischen Effekt. Dieser ist Stand der Technik- und wird in zahlreichen Schriften beschrieben (z. B. DE 21 2009 000 025 U1 , WO 2009/135238 A2 ). Bei Lichteinwirkung findet in der Zelle an dem Halbleiterübergang eine Ladungstrennung statt, der zu einem Ladungsungleichgewicht in der Zelle führt. Das dabei entstehende elektrische Spannungsgefälle kann zur Umwandlung der Strahlungsenergie in elektrische Energie genutzt werden.
Photovoltaik-Module weisen in der Regel eine Schicht aus Solar- bzw. Photovoltaikzellen auf, sowie eine auf der Sonnenseite der Photovoltaikzellen angeordnete transparente Folie und ein auf der Folie angeordnetes transparentes Sicherheitsglas. Auf der Rückseite der Photovoltaikzellen, d. h. auf der sonnenabgewandten Seite der Zellen ist üblicherweise ebenfalls eine transparente Folienschicht aufgebracht.
Der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage, auch als Effizienz bezeichnet, ist das Verhältnis der von ihr erzeugten elektrischen Leistung und der eingestrahlten Sonnenenergie. Das heißt, sie gibt an, wie viel der eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird.
Das Einsatzgebiet der Photovoltaikanlagen bringt es mit sich, dass diese sich auf Grund der Sonneneinstrahlung erwärmen. Die Leistung einer solchen Anlage ist aber stark temperaturabhängig. Höhere Zelltemperaturen führen zu niedrigeren Leistungen und damit zu einem schlechteren Wirkungsgrad. Verluste ergeben sich im Wesentlichen als Abwärme, die in Form von Konvektion und Strahlung abgeführt wird.
Nach dem Stand der Technik bewegt sich die Effizienz zwischen 5 bis 25%. Im Bereich der Module ist mit Leistungseinbußen von ca. 3% zu rechnen, so dass üblicherweise Wirkungsgrade von 2 bis 22% erzielt werden. Bei der Beurteilung von Leistungsdaten von photovoltaischen Bauteilen sind Normenbedingungen, STC (Standard Test Conditions), die bei einer Umgebungs- bzw. Bauteiltemperatur von 25°C, AM 1,5 und 1000 W/m² liegen, vereinbart worden (Quelle: IEC 904-3 1989 Photovoltaic devices; EN 60904-3 1993)
Diese Werte können nur unter Laborbedingungen erreicht werden, so dass durch die Abweichungen, die sich in der Praxis/Natur ergeben, eine deutliche Arbeitsminderung zu verzeichnen ist. Bereits eine Erhöhung der Temperatur einer Photovoltaikanlage um 2°C senkt deren Effizienz um 1%.
Ziel der Erfindung ist es, ein Photovoltaik-Modul mit einem höheren Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturstabilisierung der sonnenabgewandten Seite einer Photovoltaikzelle zu erreichen, die der normierten Temperatur unter Laborbedingungen entspricht. Darüber hinaus werden die daraus resultierenden Wärmedifferenzen zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt, auch zu Zeiten, in denen kein photovoltaischer Effekt anliegt.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einer elektrischen Anlage, welche die Merkmale von Anspruch 1 aufweist. Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Anlage ist Gegenstand der Unteransprüche.
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, die bei der Sonneinstrahlung entstehende leistungsmindernde Wärme zu nutzen und in elektrische Energie umzuwandeln.
Dadurch, dass an der sonnenabgewandten Seite der Photovoltaikzellen ein Modul angebracht ist, welches aus Peltierelementen und jeweils daran angeschlossene Latentwärmespeicher besteht und das von einer Isolationsschicht umgeben ist, wird die Temperatur auf der sonnenabgewandten Seite der Zelle normiert und der Wirkungsgrad der Photovoltaikzelle wird erhöht. Dazu wird die Wärmeenergie in verschaltete Latentwärmespeicher verbracht und hier über die Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie wieder entnommen.
Beim Beladen der Latentwärmespeicher wird dem Wärmestrom durch die vorgeschalteten Peltierelemente durch Ausnutzung des Seebeck-Effektes elektrische Energie entnommen.
Die gespeicherte Wärmeenergie wird mit Hilfe der an dem Wärmestrom der sich einstellenden Wärmedifferenzstrecken teilhabenden Peltierelemente in elektrischen Strom umgewandelt. Dieser elektrische Strom entsteht bei der Wärmeleitung über das Peltierelement in den Latentwärmespeicher sowie aus dem Latentwärmespeicher über das Peltierelement in die sich abkühlenden Umgebungsbauteile.
Die Erfindung wird anhand der näher erläutert:
Aufbauend auf eine elektrische Anlage zur Erzeugung von Elektrizität aus solarer Strahlungsenergie bestehend aus einer Wetterschutzschicht (1), mechanischer Entkopplung und Schutzschicht (2) und der Photovoltaikzellschicht (3), wird über eine Wärmeleitpaste ein Modul bestehend aus einem Peltierelement (4), einer thermischen Isolationsschicht (5), einer nachgeordneten Stabilisierungsschicht mit Latentwärmespeicher (6) einem weiteren Peltierelement (7) mit Isolationsschicht (8) und der dazu dazugehörigen Stabilisierungsschicht mit einem oder mehreren Latentwärmespeichern installiert.
Als Peltierelemente werden in diesem Beispiel Silizium Peltiers verwendet, die mit den benachbarten Bauteilen über eine Wärmeleitpaste in Kontakt gebracht werden. Jedes der Peltierelemente ist dabei mit einem Latentwärmespeicher verbunden.
Die in das Trägermaterial aus Gips, Zementgemischen oder Kunststoffe eingebeteten Latentwärmespeicher können je nach benötigtem Latentwärmepunkt Öle, Wassergemische und/oder Salze sein.
Polyurethanschäume werden in diesem Beispiel als Isolationsschicht verwendet. Denkbar sind aber auch Vakuumverkapselungen oder Inertgasverkapselungen.
Zur Optimierung der Energieinhalte der Latentwärmespeicher bezüglich der gespeicherten Energieniveaus und deren Entladung erfolgt für die oben beschriebenen Elemente eine äußere Beschaltung.
Beim Auftreffen von solarer Strahlungsenergie wandelt die Zelle diese Strahlung in elektrische Energie um. Dabei werden 5% bis ca. 25% in der Zelle als elektrische Energie umgewandelt. Je nach Effizienz der Zelle stehen 45–60% der ankommenden solaren Strahlung zur Verarbeitung hinter der Zelle in Form von Wärme zur Verfügung. Dies haben empirische Messreihen des Erfinders an handelsüblichen Modulen gezeigt.
Die Erfindung stellt nun im beispielhaft vorliegenden Fall die Kombination Peltierelement (4), Isolationsschicht (5) und Latentwärmespeicher (6) auf ein Temperaturniveau im Latentwärmespeicher von 23°C ein und berücksichtigt eine Zelltemperaturänderung bei normaler Einstrahlung von ca. 38°C bis 79°C.
Hierbei stellt sich ein variables Temperaturgefälle über das Peltierelement von 15°C bis 54°C ein. Die Leistung des Peltierelementes muss also bei 40–50 K delta T gerade der Zellleistung entsprechen. Somit bringt das Peltierelement proportional zur Zellleistung die gleiche elektrische Leistung. Absolut verdoppelt sich die Gesamtleistung des Systems. Ist die Leistungskapazität des Latentwärmespeichers überschritten, erhöht sich dessen Temperatur und würde zur Zerstörung führen. Deshalb wird der Speicher (9) mit den angeschlossenen Teilen (7) und (8) 10 K niedriger dimensioniert, so dass hier eine Schutzsenke entsteht.
Zudem steht diese Senke mit dem zwischengeschalteten Peltierelement (7) als Kapazitätserweiterung des Latentwärmespeichers (6) zur Verfügung, um bei etwaig größerem Leistungsaufkommen an solarer Strahlungsenergie mehr latente Wärme einlagern zu können. Je nach Dimensionierung des Punktes der latenten Wärmespeicherung, und der Ausgestaltung eventuell nachgeschalteter Kaskaden, kann hiermit die Leistung gewonnen werden, die für die Sicherstellung bzw. eine Erhöhung der Grundleistung benötigt wird.
Im Falle der solaren Einstrahlung wird somit die Hälfte der Wärmeverluste elektrisch umgewandelt bzw. in Form von latenter Wärme eingelagert.
Im Falle des Wegfalls der solaren Einstrahlung erwärmt sich die Zelle (3) über das Peltierelement (4) und gibt diese Wärmeenergie in Form von Strahlung an die Umgebung ab. Theoretisch liegt hier die Temperatursenke bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt, vermindert durch Reflexionen der Atmosphäre, jedoch deutlich unterhalb der Temperatur, die durch gespeicherte Energie aus solarer Strahlung durch den Latentwärmespeicher nachgeliefert wird.
Die elektrische Energie des Peltierelementes (4) ist der des Peltierelementes (7) entgegengerichtet, so dass für diesen Fall eine geeignete Polumkehr am Ausgang des Peltierkreises (4) vorgehalten wird.
Die Polarität des elektrischen Stromes des Peltierelementes (4) ist zu dem beschriebenen Zeitpunkt auch entgegengesetzt zu dem Strom desselben bei Ladung der Latentwärmespeicher. Dies hat aber bezüglich des Zellstroms keine Auswirkung, da die Photovoltaikzelle zu diesem Zeitpunkt keinen Strom abgibt.
Die elektrische Arbeit die mit der Erfindung verrichtet wird, ist im beispielhaft gewählten Fall etwa dreimal so hoch wie die elektrische Arbeit, die ein handelsübliches Photovoltaiksystem verrichten kann bei gleicher Flächennutzung.
Betrachtet man die reale solare Einstrahlung in Mittel und Osteuropa im Jahresverlauf, so gewährleistet die latent eingelagerte Wärmeenergie des Speichers (6) und die permanent wärmetechnisch leitende Verbindung (4) zur Zelle (3), dass die Schichten oberhalb der Zelle gegenüber handelüblichen Aufbauten in Zeiten des Erreichens der Frostgrenze nicht mehr einfrieren können und der Aufbau von strahlungsunterbindenden Schneeschichten sicher unterbunden ist. Dies ermöglicht hinsichtlich des Jahresertrages zusätzliche Gewinne an elektrischer Arbeit ohne Anwendung zusätzlicher Energien, wie sie z. B. bei handelsüblichen Abtauschaltungen benötigt werden.
Statisch ist bei Konstruktionen etwa als Modul nur das tatsächliche Gewicht des Moduls zu berücksichtigen und keine kalkulativen regionalen Zuschläge, wie etwa Schneelasten, z. B. bei Ganzdacheindeckungen.
Durch die Erfindung wird eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrads einer Photovoltaikanlage erzielt. Diese Verbesserung basiert auf folgenden Umständen:

1. Die Leistungsabgabe der Photovoltaikzelle nähert sich der angegebenen Nennleistung, da die Randbedingungen der Nennleistung hinsichtlich der Bauteiltemperatur erfüllt sind.
2. Der durch die Stabilisierung entstehende Wärmestrom und die mit der Erfindung realisierte Umsetzung in elektrische Energie erhöht die Gesamtleistung.
3. Die Arbeitsleistung steigt zudem dadurch, dass bei Wegfall der solaren Einstrahlung die zuvor gespeicherte Wärme bei ihrem Rückfluss von Latentwärmespeicher zur Zelle über das beteiligte Peltierelement in elektrische Energie umgewandelt wird.

Die somit durchgängige und ohne Unterbrechung erzeugte elektrische Energie führt zu einer Stabilisierung der Stromversorgung und ist geeignet für eine Grundlastversorgung. Sie kann in der Vernetzung für die Entwicklung von dezentralen Stromversorgungen verwendet werden, aber auch zur Stabilisierung herkömmlicher Verbrauchernetze hinsichtlich der Bereitstellung der Energie zur Abdeckung der benötigten Grundlastversorgung und Erhöhung des ökologischen Anteils.
Bezugszeichenliste
Abb. 1: Modul für eine Photovoltaikanlage zur Erhöhung der Arbeitsleistung

1: Wetterschutzschicht
2: mechanische Entkopplung und Schutzschicht der Zelle
3: Photovoltaikzellschicht
4: Installation eines Peltierelements
5: thermische Islolationsschicht
6: Stabilisierungsschicht mit Latentwärmespeicher
7: Peltierelement
8: Isolierung
9: Trägermaterial mit Latentwärmespeicher

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

DE 212009000025 U1 [0002]
WO 2009/135238 A2 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEC 904-3 1989 [0006]
EN 60904-3 1993 [0006]

Claims

Elektrische Anlage mit einer Schicht aus Solarzellen und einer auf der Tageslicht zugewandten Seite befindlichen Wetterschutzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rückseite der Schicht aus Solarzellen ein Modul zur Temperaturstabilisierung, bestehend aus mindestens einem Peltierelement, einem jeweils nachgeordneten Latentwärmespeicher und einer Isolationsschicht, angeordnet ist.
Elektrische Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul zur Temperaturstabilisierung mit der Schicht aus Solarzellen über eine Wärmeleitpaste in Kontakt gebracht wird.
Elektrische Anlage nach Anspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul aus einem Peltierelement oder aus Kaskaden von zwei oder mehr Peltierelementen besteht.
Elektrische Anlage nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass als Peltierelemente Silizium Peltiers verwendet werden.
Elektrische Anlage nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Peltierelemente jeweils mit einem Latentwärmespeicher verbunden sind.
Elektrische Anlage nach Anspruch 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Peltierelemente mit den benachbarten Bauteilen über eine Wärmeleitpaste in Kontakt gebracht werden.
Elektrische Anlage nach Anspruch 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägermaterial für die Latentwärmespeicher Gips, Zementgemische oder Kunststoffe verwendet werden, in deren Vernetzungsebenen die Latentwärmespeicher eingelagert sind.
Elektrische Anlage nach Anspruch 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Latentwärmespeicher je nach benötigtem Latentwärmepunkt aus Ölen, Wassergemischen und/oder Salzen bestehen.
Elektrische Anlage nach Anspruch 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Latentwärmespeicher mit dem angeschlossenen Peltierelement gegenüber dem zweiten Latentwärmespeicher unterschiedlich dimensioniert ist.
Elektrische Anlage nach Anspruch 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Peltierelemente mit den nachgeordneten Latentwärmespeichern eine äußere Beschaltung erfolgt.
Elektrische Anlage nach Anspruch 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Peltierelemente mit den jeweils nachgeordneten Latentwärmespeichern von einer Isolationsschicht umgeben sind.
Elektrische Anlage nach Anspruch 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolationsschicht Polyurethanschäume, Inertgasverkapsellungen oder Vakuumverkapsellungen verwendet werden.