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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Photovoltaik-Anlage mit einer photovoltaischen Zelle zur Wandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie, wobei die photovoltaische Zelle zu kühlen ist, und auf ein Verfahren zur Nutzung und Kühlung einer photovoltaischen Zelle.
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Ein typisches photovoltaisches Modul besteht aus einer Anzahl von photovoltaischen Zellen, auch Solarzellen genannt, die miteinander (zumeist in Serienschaltung) elektrisch verbunden sind. Herkömmliche photovoltaische Module sind der normalen Sonnenstrahlung ausgesetzt, die eine Strahlungsdichte von etwa 1 kW/m2 aufweist. Die von der Sonne empfangene elektromagnetische Strahlung wird von den Solarzellen mit einer Effizienz von typischerweise 10% in elektrische Energie umgewandelt.
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Wenn man das Sonnenlicht zum Beispiel durch Spiegelsysteme konzentriert, und damit ein photovoltaisches Modul bestrahlt, so wird dies beispielsweise als „konzentrierende Photovoltaik” bezeichnet. Die konzentrierende Photovoltaik hat unter anderem den Vorteil, dass sich mit einem vergleichsweise kleinen Modul eine relativ hohe elektrische Leistung erzielen lässt. Solarzellen, wie man sie in konventionellen, nicht konzentrierenden Modulen verwendet, sind für die Verwendung in der konzentrierenden Photovoltaik im Allgemeinen nicht geeignet. Ein Grund hierfür liegt beispielsweise darin, dass sie einen zu hohen ohmschen Innenwiderstand R aufweisen, der wegen der hohen elektrischen Ströme I zu unerwünscht hohen ohmschen Leistungsverlusten R·I2 führt. Es werden daher besondere, für den Verwendungszweck der konzentrierenden Photovoltaik geeignete Zellen benutzt, wie sie zum Beispiel die Firma Narec in England herstellt.
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Ein weiterer zu berücksichtigender Aspekt der konzentrierenden Photovoltaik besteht darin, dass nur etwa 10% der einfallenden Strahlungsenergie in elektrische Energie verwandelt werden, wobei zumindest ein Teil des in dieser Hinsicht ungenutzten Restes zu einer Erwärmung der Solarzellen führt.
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Weil Solarzellen im Allgemeinen sehr dünn sind, also eine geringe Masse besitzen, können sie sehr schnell sehr hohe Temperaturen erreichen und dabei zerstört oder zumindest beschädigt werden.
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Die Solarzellen in einer konzentrierenden photovoltaischen Anwendung müssen deshalb gekühlt werden, wobei allerdings auch in konventionellen, d. h. nicht konzentrierenden Anwendungen bisweilen eine Kühlung erwünscht sein kann.
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Die insbesondere bei der konzentrierenden Photovoltaik neben der aus der Strahlungsenergie umgewandelten elektrischen Energie auftretende thermische Energie kann nun ihrerseits wiederum genutzt werden. Gewinnt man die bei der Erwärmung des Kühlmittels umgesetzte thermische Energie, so ergibt sich eine bessere Nutzbarmachung der von dem Modul insgesamt aufgenommenen Energie.
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Bekannte Lösungen zur Kühlung von Solarzellen sind allerdings technisch aufwendig, wobei die Solarzellen bisweilen hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind,. Vor allem aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der verschiedenen eingesetzten Materialien.
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Der Aufbau eines bekannten gekühlten Moduls der konzentrierenden Photovoltaik ist in 1 skizziert, wobei die Darstellung, wie auch alle weiteren Figuren nicht als maßstabsgerecht zu verstehen ist.
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Die eigentlichen Solarzellen 2 sind, zum Beispiel mit Lötzinn 3, flächig auf Kupferplatten 4 aufgelötet und einer Einstrahlung von der Sonne 1 ausgesetzt. Die flächige Verlötung wird eingesetzt, um eine optimale Wärmeleitung herzustellen. Zwischen den Kupferplatten 4 (auch „pads” genannt) und der Trägerplatte 6 befindet sich eine Schicht eines dielektrischen Isolatormediums 5. Dieses ist hier notwendig, weil die Trägerplatte 6, die eine hohe thermische Leitfähigkeit haben muss, aus Aluminium hergestellt ist und sonst ein Kontakt zwischen der Leiterplatte 4 aus Kupfer und der Trägerplatte 6 aus Aluminium zu einem elektrischem Kurzschluss zwischen den Solarzellen führen würde. Die Trägerplatte 6 ist normalerweise sehr dünn ausgeführt, um sie einfach mit den Solarzellen 2 und anderen elektrischen Bauteilen (z. B. den Bypass-Dioden 7) bestücken zu können. Systeme, wie eines in 1 illustriert ist, werden zum Beispiel von der Firma Berquist hergestellt.
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Die letztliche Kühlung des Systems wird durch ein getrenntes Bauteil bewirkt, das hier als eine dickere Aluminiumplatte 8 dargestellt ist, in der sich wasserführende Röhren 9 befinden. Solche Kühlsysteme werden zum Beispiel von der Firma Lytron hergestellt. Zwischen der Aluminium-Kühlplatte 8 und der Trägerplatte 6 ist hier noch optional eine thermische Paste 10 vorgesehen, um den thermischen Kontakt zu optimieren.
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Weil die Leiterplatte 4, auf der die Solarzellen 2 montiert sind, elektrisch leitend ist, werden normalerweise auch alle zusätzlich benötigten elektrischen oder elektronischen Bauelemente oben auf der Platte montiert (hier beispielhaft durch die Bypass-Diode 7 illustriert), und ebenso befinden sich Leiterbahnen, welche die Solarzellen 2 verbinden, oben auf der Leiterplatte.
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Bei einer Anordnung, wie sie in 1 illustriert ist und wie sie in geringen Abwandlungen bei herkömmlichen konzentrierenden Photovoltaik-Anlangen zu finden ist, ergibt sich ein Nachteil darin, dass insbesondere für großflächige Module die Montage der Bypass Dioden und Leiterbahnen auf der Fläche, auf der sich auch die Solarzellen selbst befinden, zu einer geometrischen Ineffizienz im Vergleich zu einer vollflächigen Ausnutzung führt.
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Ein zweiter Nachteil liegt darin, dass hier viele verschiedene Materialien eingesetzt werden müssen, die alle, z. T. stark verschiedene Wärmesaudehnungskoeffizienten haben, wobei zudem eine große Zahl statischer mechanischer Schnittstellen vorliegt. Bei einem Wechsel z. B. zwischen direkter Sonneneinstrahlung und Abschattung durch Wolken kommt es in einem oben beschriebenen photovoltaischen Modul zu großen und schnellen Änderungen der Strahlungsintensität. Das photovoltaische Modul ist also wiederholt wechselnden mechanischen Spannungen ausgesetzt, die im Laufe der Zeit zu einem mechanischen Bruch der Solarzellen führen können. Selbst wenn das Modul als solches nicht infolge der Spannungen direkten Schaden nimmt, können die Spannungen zu einer Verschlechterung der Wärmeübertragung führen, was letztlich infolge von Überhitzung wiederum zu einer Zerstörung oder Beschädigung der Solarzellen führen kann.
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Hinzu kommt noch, dass der insgesamt komplexe Aufbau einer dargestellten Anlage sich in entsprechenden Herstellungs- und ggf. Wartungskosten äußert.
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Es wird daher gewünscht, eine Lösung vorzustellen, die eine Photovoltaik-Anlage mit Kühlung bereitstellt, die insbesondere für eine Nutzung im Bereich der konzentrierten Photovoltaik geeignet ist, wobei eine verbesserte Effizienz, eine geringere Anfälligkeit gegenüber Temperatur- bzw. Strahlungsschwankungen und ein einfacher Aufbau zur Reduktion von Herstellungs- und Wartungskosten angestrebt werden.
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Erfindungsgemäß wird nun eine Photovoltaik-Anlage vorgeschlagen, mit einer photovoltaischen Zelle zur Wandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie und einem Behälter, der die photovoltaische Zelle umschließt und eine Kühlflüssigkeit aufweist, in der die photovoltaische Zelle zumindest teilweise eingetaucht ist.
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Erfindungsgemäß wird zudem ein Verfahren zur Nutzung und Kühlung einer photovoltaischen Zelle mit den folgenden Schritten vorgeschlagen: Bereitstellen einer photovoltaischen Zelle in einem Behälter, der die photovoltaische Zelle umschließt und eine Kühlflüssigkeit aufweist, in der die photovoltaische Zelle zumindest teilweise eingetaucht ist, Aussetzen der photovoltaische Zelle einer einfallenden Strahlung und Umwandeln der Energie der Strahlung in elektrische Energie durch die photovoltatische Zelle, und Kühlen der photovoltaischen Zelle durch Wärmeabfuhr von der photovoltaischen Zelle mittels der Kühlflüssigkeit.
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Hintergrund der vorliegenden Erfindung sind die folgenden Überlegungen:
Das primär zu lösende Problem in diesem Zusammenhang stellt der Abtransport der aufgenommenen Wärmeenergie von der photovoltaischen Zelle weg dar. Während in der in 1 illustrierten Anlage der Wärmetransport über einen strukturellen Aufbau zu einer Flüssigkeit hin erfolgt, von der die thermische Energie dann letztlich mitgeführt wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die photovoltaische Zelle in möglichst direkten Kontakt mit der Kühlflüssigkeit zu bringen, um damit die mit den Wärmeübergängen verbundenen Schwierigkeiten zu vermeiden. Hinzu kommt, dass durch das Eintauchen eine Wärmeabfuhr von der photovoltaischen Zelle nicht mehr nur auf die der einfallenden Strahlung gegenüberliegende Seite beschränkt ist, sondern sowohl Vorder- als auch Rückseite der photovoltaischen Zelle hierzu genutzt werden können.
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Zudem wurde gefunden, dass bekannte Photovoltaik-Anlagen im Laufe der Zeit an Effizienz verlieren, wobei hier angenommen wird, dass sich ein etwa 20-prozentiger Effizienzverlust im Laufe von 20 Jahren durch Einwirkung des eingestrahlten Lichts auf das bei den photovoltaischen Zellen eingesetzte Glas ergibt, dass beispielsweise an Durchlässigkeit verliert. Insbesondere im Bereich der konzentrierenden Photovoltaik darf auf Basis der höheren Strahlungsleistung eine verstärkte Einwirkung zum schnelleren Effizienzverlust angenommen werden. Tritt eine derartige Beeinträchtigung des lichtdurchlässigen, z. B. aus Glas oder einem anderen geeigneten Material gefertigten Behälter (der durchaus auch in Komponentenbauweise aufgebaut sein kann) auf, so kann in einfacher Weise der vergleichsweise wenig aufwändige Behälter ausgetauscht werden, wobei die komplexere photovoltaische Zelle weiterverwendet werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließt der Behälter einen Innenraum des Behälters mit der photovoltaischen Zelle und der Kühlflüssigkeit darin hermetisch ab, wobei der Innenraum des Behälters von der Kühlflüssigkeit nur teilweise ausgefüllt ist, so dass ein Übergang zumindest eines Bestandteils der Kühlflüssigkeit in eine Gasphase möglich ist. In einer Weiterführung dieser Ausgestaltung der Erfindung ist eine Atmosphäre im Innenraum des Behälters derart eingestellt, dass zumindest ein Bestandteil der Kühlflüssigkeit bei einer Temperatur siedet, die gleich oder geringer ist als eine maximale Betriebstemperatur der photovoltaischen Zelle, wobei der Behälter einen Kondensationsbereich zum Kondensieren zumindest des Bestandteils der Kühlflüssigkeit aufweist.
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Tritt ein Sieden der Kühlflüssigkeit an der photovoltaischen Zelle (oder auch anderswo im Inneren des Behälters) auf, so wird durch den Übergang in die Gasphase thermische Energie aufgenommen, so dass beim Sieden kontinuierlich Wärme aus der Kühlflüssigkeit durch das entweichende Gas abgeführt wird. Im Effekt bleibt wird damit die Temperatur der Kühlflüssigkeit selbst auf die eingestellte Siedetemperatur beschränkt. Die Kühlflüssigkeit selbst überschreitet die Siedetemperatur solange nicht, wie ein Sieden möglich ist und stattfindet. Beim Kondensieren des Gases, dass sich beim Sieden bildet, bildet sich die Kühlflüssigkeit (bzw. der siedende Bestandteil davon) wieder als Flüssigkeit aus, wobei hier Wärme beispielsweise zur anderweitigen Nutzung abgezogen wird.
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Die Nutzung der Verdampfungswärme zum Transport von thermischer Energie liegt beispielsweise auch bei Wärmerohren in Form von Heat-Pipes oder Thermosiphons vor.
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Eine Einstellung der Siedetemperatur im Behälter kann ebenfalls in einer Weise eingerichtet sein, wie sie von Wärmerohren bekannt ist, etwa durch Vorsehen eines Unter- oder Überdrucks im Vergleich zum Atmosphärendruck und/oder durch Vorsehen eines Puffergases zur Einstellung des Partialdrucks.
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Es ist allerdings auch zu bemerken, dass die vorliegende Erfindung durchaus mit normalem Atmosphäredruck realisiert werden kann. Mit destilliertem Wasser als Beispiel einer Kühlflüssigkeit würde sich damit eine Siedetemperatur von 100°C ergeben, Die bekannten Möglichkeiten der Ausgestaltungen von Wärmerohren können in analoger Weise auch bei der vorliegenden Erfindung Anwendung finden, was insbesondere für eine Rückführung des Kondensats zur Kühlflüssigkeit unter Ausnutzung der Schwerkraft gilt. Allerdings können hierzu auch Kapillarkräfte genutzt werden oder sogar eine Rückführung zur restlichen Kühlflüssigkeit über eine Pumpe vorgesehen sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet der Behälter einen Wärmetauscher zur Übertragung von Wärmeenergie von der Kühlflüssigkeit auf ein externes Medium oder steht damit in thermischer Verbindung. Ist ein Wärmetauscher innerhalb des Behälters angeordnet, so kann von diesem Wärmetauscher direkt die vorliegende Wärme aus einem Innenbereich der Kühlflüssigkeit abgeführt werden. Ein Beispiel ist eine im Behälter eingebrachte Kühlschlange. Alternativ oder ergänzend kann auch der Behälter selbst so ausgestaltet sein, dass er mit dem Empfänger des Wärmetauschers durch etwa seine eigene Außenwandung in thermischen Kontakt steht. Ein Beispiel ist ein Fall, bei dem ein Teilbereich des Behälters (z. B. eine Leitung) von dem Empfänger des Wärmetauschers umschlossen wird.
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Erfindungsgemäß weist ebenfalls eine Nutzung eines Wärmetauschers in Kombination mit einem nur teilweise mit Kühlflüssigkeit ausgefüllten Behälter, der ein Sieden der Kühlflüssigkeit oder eines Bestandteils davon erlaubt, einen Vorteil dahingehend auf, dass Wärmespitzen auch unter Nutzung eines weniger durchsatzstarken Wärmetauschers abgefangen werden können. Der Wärmetauscher dient zwar der grundsätzlichen Abführung der in den meisten Betriebssituationen anfallenden Wärmeenergie, wobei die Siedetemperatur allerdings wiederum unterhalb einer maximal tolerierbaren Temperatur der photovoltaischen Zelle eingestellt ist, so dass ein zeitweise unzureichendes Abführen der Wärmeenergie durch den Wärmetauscher dennoch nicht zu einer Überschreitung einer solchen maximalen Temperatur im Inneren des Behälters führt.
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Es ist zu bemerken, dass der Wärmetauscher bzw. allgemein die Abfuhr von thermischer Energie zwar in vorteilhafter Weise bei der vorliegenden Erfindung zu einer weiteren Nutzung dieser Energie genutzt werden kann, es die vorliegende Erfindung allerdings auch zulässt, dass die Wärme schlicht an die Umgebung abgegeben wird. Der Verzicht auf eine weitere Nutzung der von der photovoltaischen Zelle abgeführten thermischen Energie wird von der vorliegenden Erfindung nicht ausgeschlossen, da bereits allein die erfindungsgemäße Kühlung der photovoltaischen Zelle von Vorteil ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Photovoltaik-Anlage ein Umwälzelement zum Umwälzen der Kühlflüssigkeit. Ein vorteilhafter Effekt eines solchen Umwälzens der Kühlflüssigkeit wäre eine gleichmäßigere Temperaturverteilung innerhalb der Kühlflüssigkeit in Vergleich zu einem Fall, in dem lediglich eine Konvektionswirkung oder eine Wärmeleitung innerhalb der Kühlflüssigkeit genutzt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kühlflüssigkeit nicht elektrisch leitend. Beispiele einer solchen Kühlflüssigkeit mit elektrischen Isolationseigenschaften können destilliertes Wasser oder geeignete Öle sein. Es ist zu bemerken, dass die Kühlflüssigkeit, unabhängig von der Frage der elektrischen Leitfähigkeit, nicht als Reinstoff vorliegen muss, sondern beispielsweise auch als Lösung oder Mischung verschiedener Komponenten oder Bestandteile vorliegen kann. Ein Vorteil einer elektrisch nicht leitenden Kühlflüssigkeit ist es, dass dann bei der eingetauchten photovoltaischen Zelle keine gesonderte Isolierung gegen die Kühlflüssigkeit nötig ist.
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Die vorliegende Erfindung schließt es allerdings nicht aus, dass auch eine elektrisch leitende Kühlflüssigkeit möglich verwendet werden kann, wenn die elektrischen Strom bzw. elektrische Spannung führen Bestandteile der Photovoltaik-Anlage, die in Kontakt mit der Kühlflüssigkeit stehen, entsprechend verkapselt sind. Dabei infolge von unterschiedlichen Materialeigenschaften von Bauteil und Verkapselung eventuell auftretende thermischen Spannungen werden durch eine Pufferwirkung der Kühlflüssigkeit in ihrem Ausmaß begrenzt.
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Insbesondere bei der Nutzung der Verdampfungswärme zur Abfuhr von Wärme aus der Kühlflüssigkeit ergeben sich durch die bei Sieden konstant bleibende Höchsttemperatur der Kühlflüssigkeit eine Beschränkung einer maximalen Temperatur und dementsprechend auch eine Begrenzung einer maximal auftretenden thermischen Spannung infolge von Temperaturschwankungen.
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Eine zumindest teilweise Verkapselung der photovoltaischen Zelle und/oder anderen Elemente gegenüber der Kühlflüssigkeit ist aus den gleichen Gründen auch dann möglich, wenn beispielsweise aus Implentierungsgründen eine Kühlflüssigkeit vorgesehen ist, die ohne eine Schutz durch eine derartige zumindest teilweise Verkapselung oder Ähnliches mit der photovoltaischen Zelle und/oder den anderen Elementen reagieren (z. B. Korrosion) oder diese anderweitig unerwünscht beeinflussen würde.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weiter illustriert und erläutert. Hierbei zeigt
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1 schematisch einen Aufbau einer konventionellen Photovoltaik-Anlage,
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2 schematisch einen Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Anlage,
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3 schematisch einen Aspekt der Ausführungsform aus 2,
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4 schematisch einen weiteren Aspekt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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5 schematisch einen anderen Aspekt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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6 ein Ablaufdiagramm eines Beispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Der Übersichtlichkeit halber sind in den vorliegenden Figuren zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung Elemente wie Verschaltungen, Verkabelungen, Aufhängungen oder Fixierungen nicht dargestellt.
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1 zeigt schematisch einen Aufbau einer konventionellen Photovoltaik-Anlage, wie so oben diskutiert ist.
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2 zeigt schematisch einen Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Anlage. Die Photovoltaik-Anlage 10 umfasst mehrere photovoltaische Zellen 12, die über Leiterelemente 14 miteinander verschaltet sind. Die photovoltaischen Zellen 12 sind mittels einer nicht dargestellten Aufhängung in einem Behälter 20 montiert, so dass sie einer Einstrahlung von der Sonne 1 ausgesetzt sind. Der Behälter 20 beinhaltet ferner eine Kühlflüssigkeit 19, in die die photovoltaischen Zellen eingetaucht sind. Ein Flüssigkeitsspiegel 21 ist schematisch oberhalb der photovoltaischen Zellen angedeutet. Der Behälter 20 ist nicht vollständig mit der Kühlflüssigkeit 19 ausgefüllt und weist einen Bereich 22 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 21 auf, in die hinein ein Übergang der Kühlflüssigkeit 19 in eine Gasphase möglich ist. Der Behälterinnenraumbereich 22 oberhalb der Kühlflüssigkeit 19 steht in Verbindung mit einem Kondensationsbereich 23. Der Kondensationsbereich 23 steht in thermischer Verbindung mit einem Wärmetauscher 24, der zur Abfuhr der über verdampfte Kühlflüssigkeit herangeführten thermischen Energie dient (dargestellt durch Pfeil 25). Im vorliegenden Beispiel ist die Kühlflüssigkeit 19 destilliertes Wasser, das praktisch elektrisch isolierend ist, so dass eine gesonderte elektrische Isolierung gegenüber der Kühlflüssigkeit 19 nicht notwendig ist.
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Bei der Darstellung in 2 ist schematisch eine direkte Sonneneinstrahlung skizziert, wobei dies lediglich der einfachen Anschauung dienen soll. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere im Bereich der konzentrierenden Photovoltaik vorteilhaft einsetzbar, so dass dementsprechend auch eine indirekte, eine abgelenkte oder umgelenkte Sonneneinstrahlung genutzt werden kann.
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In der Anordnung von 2 befinden sich die photovoltaischen Zellen 12 in einem optimalen thermischen Kontakt zur Kühlflüssigkeit 19. Diese Anordnung hat einen großen Vorteil gegenüber herkömmlichen Anordnungen (siehe z. B. 1): es sind keine großflächigen mechanischen Verbindungen fester Körper notwendig, womit auch keine entsprechenden mechanischen Spannungen infolge verschiedener Wärmeausdehungskoeffizienten auftreten. Außerdem wird hier Wärme sowohl von der Vorder- als auch der Rückseite der photovoltaischen Zelle 12 abgeleitet.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform findet ein Konzept zur Wärmeleitung Anwendung, das auch bei einem Wärmerohr genutzt wird: Sobald die Kühlflüssigkeit 19, die in direktem Kontakt mit der photovoltaischen Zelle 12 steht, ihre Siedetemperatur (eingestellt durch den Partialdruck im Bereich 22/23 des Behälters 20) erreicht, so wird Wärme durch den Siedevorgang abgeführt. Der Siedepunkt kann dabei – so wie bei einem Wärmerohr – auf geeignete Weise gewählt und eingestellt werden, indem man im Behälter 20 einen geeigneten Druck (im allgemeinen einen Unterdruck im Vergleich zur Atmosphäre) einstellt, wobei ggf. alternativ oder ergänzend ein Puffergas verwendet werden kann.
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Die verdampfte Kühlflüssigkeit wird dann im oberen Teil 23 des Behälters 20 mit Hilfe einer Kühlschlange oder einer ähnliche Vorrichtung (nicht dargestellt) wieder kondensiert, wobei kondensierte Kühlflüssigkeit 19 dann im Behälter 20 abwärts zum Hauptteil der Kühlflüssigkeit 19, der die photovoltaischen Zellen 12 umgibt, herabfließt oder -tropft.
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Hat die Kühlflüssigkeit 19 im Behälter 20 erst einmal ihre Siedetemperatur erreicht hat, so gibt es fast keine Temperaturgradienten mehr, die photovoltaischen Zellen werden also überall eine gleichbleibende Temperatur haben. Auch eine plötzliche insgesamt oder lokal stärkere Sonnenenergieeinstrahlung wird nicht zu Temperaturgradienten innerhalb der Anlage 10 führen. Stattdessen wird die Kühlflüssigkeit 19 an der entsprechenden Stelle beginnen (ggf. stärker) zu sieden, ohne dass es aber zu einer wesentlichen Temperaturerhöhung kommen wird.
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Erfindungsgemäß wird die eingebrachte Wärmemenge effizient von den photovoltaischen Zellen 12 abgeführt, wobei die durch die siedende Kühlflüssigkeit abtransportierte thermische Energie im Kondensationsbereich 23 aus dem Behälter 20 abgezogen wird. Diese Entnahme von thermischer Energie kann hierbei im Wesentlichen ohne Einschränkungen durch die Geometrie oder den sonstigen Aufbau der photovoltaischen Zellen 12 erfolgen, da dieser Wärmeübertrag vollständig von den photovoltaischen Zellen 12 entfernt und entkoppelt ist. Die in 1 erkennbaren Beschränkungen gelten daher nicht für die erfindungsgemäße Anlage 10.
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3 zeigt schematisch einen Aspekt der Ausführungsform aus 2 in Form einer Aufsicht auf die Struktur von durch Leiterelemente 14 elektrisch verbundenen photovoltaischen Zellen 12. Die Leiterelemente 14 sind der besseren Sichtbarkeit halber gegeneinander versetzt dargestellt, wobei eine solche Versetzung zwar technisch möglich ist und ggf. vorteilhaft sein kann, aber nicht unbedingt nötig ist. In 3 sind nur die photovoltaischen Zellen 12 und die Leiterelemente 14 dargestellt, wobei die photovoltaischen Zellen hier durch die aufgelöteten Leiterelemente 14 in einer an sich bekannten Serienschaltung miteinander verbunden sind.
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4 zeigt schematisch einen weiteren Aspekt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der in 4 dargestellte Aspekt kann ergänzend mit der Ausführungsform eingesetzt werden, die in 2 illustriert ist. Erfindungsgemäß kann allerdings eine Kühlung mit Hilfe der Kühlflüssigkeit, in die die photovoltaische Zelle eingetaucht ist, auch dann erreicht werden, wenn es nicht zu einem Sieden der Kühlflüssigkeit kommt. In 4 sind lediglich die im Folgenden näher erläuterten Elemente dargestellt, wobei die weiteren Details einer Implementierung der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Der Behälter 20 umschließt eine Kühlflüssigkeit 19, in der sich eine Kombination von photovoltaischen Zellen 12 mit entsprechenden Leiterelementen befindet (vgl. 2 und 3). Die Kühlflüssigkeit 19 steht mit einer Kühlschlange 26 in Kontakt, die sich in den Behälter 20 hinein erstreckt und zur Abfuhr von thermischer Energie dient. Durch die Abfuhr der thermischen Energie wird über die Kühlschlange 26 die Kühlflüssigkeit 19 gekühlt, so dass sich eine mittelbare Kühlung der photovoltaischen Zellen 12 ergibt.
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5 zeigt schematisch einen anderen Aspekt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ergänzend zu den in 2 und 4 dargestellten Aspekten, weist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen photovoltaischen Anlage eine Pumpe 27 auf, die über ein Leitungssystem 28 mit dem Inneren des Behälters 20 in Verbindung steht, so dass die im Behälter 20 befindliche Kühlflüssigkeit 19 durch die Pumpe 27 umgewälzt und/oder in Bewegung gebracht bzw. gehalten werden kann.
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Das Leitungssystem 28, das in 5 gezeigt ist, kann auch als Teil eines Wärmetauschers ausgeführt sein.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Beispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 30 wird wenigstens eine photovoltaischen Zelle in einem Behälter bereitgestellt, der die photovoltaische Zelle umschließt und eine Kühlflüssigkeit aufweist, in der die photovoltaische Zelle zumindest teilweise eingetaucht ist. Darauffolgend erfolgen parallel und kontinuierlich zwei Schritte, nämlich ein Aussetzen 31 der photovoltaische Zelle einer einfallenden Strahlung und Umwandeln der Energie der Strahlung in elektrische Energie durch die photovoltatische Zelle, und ein Kühlen 32 der photovoltaischen Zelle durch Wärmeabfuhr von der photovoltaischen Zelle mittels der Kühlflüssigkeit, wobei diese Schritte während der Gewinnung von elektrischer Energie durch die photovoltaischen Zellen kontinuierlich wiederholt bzw. durchgeführt werden. Das kontinuierliche parallele Ausführen der Schritte 31 und 32 wird die die in 6 gezeigten Pfeile angedeutet. Allerdings ist zu verstehen, dass damit nicht dargestellt werden soll, dass Erfindung eine wiederkehrendes „Aus der Sonne-Nehmen” der photovoltaischen Zellen vorsähe.
