DE102012217500A1

DE102012217500A1 - Wiederherstellung des Wirkungsgrades einer Photovoltaikzelle

Info

Publication number: DE102012217500A1
Application number: DE102012217500A
Authority: DE
Inventors: Young T. Chae; Augustin J. Hong; Jeehwan Kim; Young M. Lee; Devendra K. Sadana
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: US20130092214A1; DE102012217500B4; US9515215B2; US20130092213A1; US20140014162A1

Abstract

Der elektrische Wirkungsgrad eines Photovoltaik-Thermie-Systems kann bei einer Verschlechterung aufgrund von Lichteinwirkung durch Tempern einer Photovoltaik-Thermie-Zelle bei einer erhöhten Temperatur wiederhergestellt werden. Die erhöhte Temperatur an der Photovoltaik-Thermie-Zelle kann durch Umleiten des Flusses eines Wärmeaustauschfluids bereitgestellt werden, um eine Wärmetauschereinheit zu umgehen. Eine Kesseleinheit kann eingesetzt werden, um eine zusätzliche Erwärmung des Wärmeaustauschfluids während der Temperung bereitzustellen. Des Weiteren kann eine Abdeckung mit variabler Anordnung über einer Vorderfläche der Photovoltaik-Thermie-Zelle bereitgestellt werden, um eine Belüftung über der Vorderfläche zu steuern. Während des Temperns kann die Position der Abdeckung mit variabler Anordnung so eingestellt werden, dass Wärme über der Vorderfläche eingefangen wird und die Tempertemperatur weiter erhöht wird.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Photovoltaik-Thermie(PVT)-System und insbesondere auf ein Photovoltaik-Thermie-System, das dazu eingerichtet ist, den elektrischen Wirkungsgrad einer Photovoltaik-Thermie-Zelle durch eine thermische Temperung wiederherzustellen, und auf ein Verfahren zum Betreiben des Photovoltaik-Thermie-Systems.
Bei einer Photovoltaikzelle handelt es sich um eine Einheit, die Licht durch den photovoltaischen Effekt direkt in Elektrizität umwandelt. Baugruppen von Photovoltaikzellen werden zum Herstellen von Solarkollektoren, Solarmodulen oder photovoltaischen Anordnungen verwendet. Eine Photovoltaikzelle kann durch Bereitstellen eines großflächigen p-n-Übergangs in einem Halbleitermaterial ausgebildet werden.
Eine Photovoltaik-Thermie(PVT)-Zelle, die eine Dünnschicht aus amorphem Siliciummaterial verwendet, ist in der Lage, zusätzlich zu Elektrizität eine Wärmeleistung zu erzeugen, da sich das amorphe Siliciummaterial beträchtlich erwärmt, während es einer Strahlung ausgesetzt wird, bei der es sich um Solarstrahlung handeln kann. Der elektrische Wirkungsgrad, d. h. der Wirkungsgrad der elektrischen Leistung ausschließlich der Wärmeleistung einer Photovoltaik-Thermie-Zelle, in der ein amorphes Siliciummaterial eingesetzt wird, kann durch Hydrierung des amorphen Siliciummaterials verbessert werden. Der elektrische Wirkungsgrad einer solchen Photovoltaik-Thermie-Zelle nimmt jedoch im Laufe der Zeit mit der Lichteinwirkdauer ab, d. h. mit der Dauer der Exposition gegenüber Strahlung. Beispielsweise kann der elektrische Wirkungsgrad einer Photovoltaik-Thermie-Zelle innerhalb von 3 bis 4 Stunden um etwa 10% gegenüber dem maximalen elektrischen Wirkungsgrad abnehmen. Der Verlust an elektrischem Wirkungsgrad einer Photovoltaik-Thermie-Zelle, in der eine Dünnschicht aus amorphem Siliciummaterial eingesetzt wird, kann letztendlich nach etwa 60 Stunden Betriebsdauer ein Höchstmaß von etwa 20% erreichen.
Es ist jedoch erforderlich, den Verlust an elektrischem Wirkungsgrad bei einer Photovoltaik-Thermie-Zelle zu vermindern oder zu umgehen, um die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik-Thermie-Zelle zu verbessern.
KURZDARSTELLUNG
Der elektrische Wirkungsgrad eines Photovoltaik-Thermie-Systems kann bei einer Verschlechterung aufgrund von Lichteinwirkung durch Tempern einer Photovoltaik-Thermie-Zelle bei einer erhöhten Temperatur wiederhergestellt werden. Die erhöhte Temperatur an der Photovoltaik-Thermie-Zelle kann durch Umleiten des Flusses eines Wärmeaustauschfluids bereitgestellt werden, um eine Wärmetauschereinheit zu umgehen. Eine Kesseleinheit kann eingesetzt werden, um eine zusätzliche Erwärmung des Wärmeaustauschfluids während der Temperung bereitzustellen. Des Weiteren kann eine Abdeckung mit variabler Anordnung über einer Vorderfläche der Photovoltaik-Thermie-Zelle bereitgestellt werden, um eine Belüftung über der Vorderfläche zu steuern. Während des Temperns kann die Position der Abdeckung mit variabler Anordnung so eingestellt werden, dass Wärme über der Vorderfläche eingefangen wird und die Tempertemperatur weiter erhöht wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Photovoltaik-Thermie(PVT)-System bereitgestellt, das Folgendes beinhaltet: eine Photovoltaik-Thermie(PVT)-Zelle, die dazu eingerichtet ist, Elektrizität zu erzeugen und eine Wärmeleistung bereitzustellen; und zumindest ein Mittel zum Erwärmen eines Photovoltaikmaterials innerhalb der Photovoltaik-Thermie-Zelle auf eine Temperatur von über 130 Grad Celsius über einen Zeitraum hinweg.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Photovoltaik-Thermie(PVT)-System bereitgestellt, das Folgendes beinhaltet: eine Photovoltaik-Thermie(PVT)-Zelle, die dazu eingerichtet ist, Elektrizität zu erzeugen und eine Wärmeleistung bereitzustellen; und ein Fluidumlaufsystem, das dazu eingerichtet ist, ein Wärmeaustauschfluid über zumindest zwei verschiedene Umlaufwege in verschiedenen Betriebsmodi umlaufen zu lassen, wobei die zumindest zwei verschiedenen Umlaufwege einen ersten Umlaufweg, der ein Rohr durch die PVT-Zelle und ein Rohr durch eine Wärmetauschereinheit beinhaltet, in der das Wärmeaustauschfluid an Wärme verliert, und einen zweiten Umlaufweg beinhaltet, der das Rohr durch die PVT-Zelle beinhaltet und das Rohr durch die Wärmetauschereinheit nicht beinhaltet.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Photovoltaik-Thermie(PVT)-Systems bereitgestellt, das Folgendes beinhaltet: Bereitstellen eines Photovoltaik-Thermie(PVT)-Systems, das eine Photovoltaik-Thermie(PVT)-Zelle beinhaltet, die dazu eingerichtet ist, Elektrizität zu erzeugen und eine Wärmeleistung bereitzustellen; und Tempern eines Photovoltaikmaterials innerhalb der Photovoltaik-Thermie-Zelle bei einer Temperatur von über 130 Grad Celsius über einen Zeitraum hinweg.
Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines Photovoltaik-Thermie(PVT)-Systems, das Folgendes umfasst:
Bereitstellen eines Photovoltaik-Thermie(PVT)-Systems, das eine Photovoltaik-Thermie(PVT)-Zelle beinhaltet, die dazu eingerichtet ist, Elektrizität zu erzeugen und eine Wärmeleistung bereitzustellen; und
Umlaufenlassen eines Wärmeaustauschfluids über zumindest zwei verschiedene Umlaufwege in verschiedenen Betriebsmodi, wobei die zumindest zwei verschiedenen Umlaufwege einen ersten Umlaufweg, der ein Rohr durch die PVT-Zelle und ein Rohr durch eine Wärmetauschereinheit beinhaltet, in der das Wärmeaustauschfluid an Wärme verliert, und einen zweiten Umlaufweg beinhaltet, der das Rohr durch die PVT-Zelle beinhaltet und das Rohr durch die Wärmetauschereinheit nicht beinhaltet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das PVT-System ein erstes Ventil, das dazu eingerichtet ist, einen Umlaufweg des Wärmeaustauschfluids aus einem ersten Umlaufweg, der ein Rohr innerhalb der Wärmetauschereinheit beinhaltet, und einem zweiten Umlaufweg auszuwählen, der das Rohr innerhalb der Wärmetauschereinheit umgeht, und das Verfahren umfasst des Weiteren das Betätigen des ersten Ventils, um während des Temperns den zweiten Umlaufweg auszuwählen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das zumindest eine Mittel ein erstes Ventil, das dazu eingerichtet ist, einen der zumindest zwei verschiedenen Umlaufwege auszuwählen, und das Verfahren umfasst des Weiteren das Erwärmen des Wärmeaustauschfluids mithilfe der Kesseleinheit.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das PVT-System des Weiteren ein zweites Ventil, das dazu eingerichtet ist, einen Umlaufweg aus dem ersten oder dem zweiten Umlaufweg und einem dritten Umlaufweg auszuwählen, der die Kesseleinheit und die Wärmetauschereinheit umgeht, und das Verfahren umfasst des Weiteren das Erhöhen einer Temperatur des Wärmeaustauschfluids durch Betätigen des zweiten Ventils, um vor dem Tempern den dritten Umlaufweg auszuwählen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das PVT-System des Weiteren ein drittes Ventil, das dazu eingerichtet ist, einen von zwei Einlässen auszuwählen, die mit einem Auslass der Wärmetauschereinheit bzw. mit einem Auslass des zweiten Ventils verbunden sind und die mit einem Einlass der PVT-Zelle verbunden sind, und das Verfahren umfasst des Weiteren das Betätigen des dritten Ventils, um vor dem Tempern ein Einströmen des Wärmeaustauschfluids von dem Auslass des zweiten Ventils zuzulassen und um während des Temperns ein Einströmen des Wärmeaustauschfluids von der Kesseleinheit zuzulassen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung des Weiteren umfassend während des Temperns das Erhöhen einer Temperatur des Photovoltaikmaterials der PVT-Zelle über einen Siedepunkt des Wärmeaustauschfluids hinaus.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren des Weiteren Folgendes:
Betreiben des PVT-Systems in einem Betriebsmodus, der die Wärmeleistung erzeugt, während sich eine Abdeckung mit variabler Anordnung auf der PVT-Zelle in einer Position befindet; und
Ändern einer Position der Abdeckung mit variabler Anordnung während des Temperns in eine andere Position.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Abdeckung mit variabler Anordnung an einem Gehäuse der PVT-Zelle durch ein Drehgelenk befestigt, um das sich die Abdeckung mit variabler Anordnung drehen kann, und das Verfahren umfasst des Weiteren das Drehen der Abdeckung mit variabler Anordnung, wodurch eine Vorderfläche der PVT-Zelle während des Temperns weniger belüftet wird als während des Betriebsmodus.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Abdeckung mit variabler Anordnung dazu eingerichtet, in einer Ebene zu gleiten, die im Wesentlichen parallel zu der Vorderfläche der PVT-Zelle ist, und das Verfahren umfasst des Weiteren das Schieben der Abdeckung mit variabler Anordnung in der Ebene, wobei eine Vorderfläche der PVT-Zelle während des Temperns weniger belüftet wird als während des Betriebsmodus.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Abdeckung mit variabler Anordnung dazu eingerichtet, sich in einer Richtung zu bewegen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Vorderfläche der PVT-Zelle verläuft, und das Verfahren umfasst des Weiteren das Bewegen der Abdeckung mit variabler Anordnung in der Richtung, wobei eine Vorderfläche der PVT-Zelle während des Temperns weniger belüftet wird als während des Betriebsmodus.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Photovoltaik-Thermie(PVT)-Systems bereitgestellt, das Folgendes beinhaltet: Bereitstellen eines Photovoltaik-Thermie(PVT)-Systems, das eine Photovoltaik-Thermie(PVT)-Zelle beinhaltet, die dazu eingerichtet ist, Elektrizität zu erzeugen und eine Wärmeleistung bereitzustellen; und Umlaufenlassen eines Wärmeaustauschfluids über zumindest zwei verschiedene Umlaufwege in verschiedenen Betriebsmodi, wobei die zumindest zwei verschiedenen Umlaufwege einen ersten Umlaufweg, der ein Rohr durch die PVT Zelle und ein Rohr durch eine Wärmetauschereinheit beinhaltet, in der das Wärmeaustauschfluid an Wärme verliert, und einen zweiten Umlaufweg beinhaltet, der das Rohr durch die PVT-Zelle beinhaltet und das Rohr durch die Wärmetauschereinheit nicht beinhaltet.
KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Photovoltaik-Thermie-Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2A ist eine Draufsicht auf einen oberen Abschnitt einer beispielhaften Photovoltaik-Thermie-Zelle, die in dem beispielhaften Photovoltaik-Thermie-System von 1 eingesetzt werden kann, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2B ist eine vertikale Querschnittsansicht der beispielhaften Photovoltaik-Thermie-Zelle von 2A entlang der Ebene B gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3 ist eine schematische Darstellung des beispielhaften Photovoltaik-Thermie-Systems von 1 in einem durch die Kesseleinheit betriebenen Wärmezufuhrmodus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
4 ist eine schematische Darstellung des beispielhaften Photovoltaik-Thermie-Systems von 1 in einem Photovoltaik-Thermie-Betriebsmodus.
5 ist eine schematische Darstellung des beispielhaften Photovoltaik-Thermie-Systems von 1 in einem einleitenden Wärmeaustauschfluid-Erwärmungsmodus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
6 ist eine schematische Darstellung des beispielhaften Photovoltaik-Thermie-Systems von 1 in einem Tempermodus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
7 ist eine erste beispielhafte Struktur einer Photovoltaik-Thermie-Zelle, die eine Abdeckung mit variabler Anordnung aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
8 ist eine zweite beispielhafte Struktur einer Photovoltaik-Thermie-Zelle, die eine Abdeckung mit variabler Anordnung aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
9 ist eine dritte beispielhafte Struktur einer Photovoltaik-Thermie-Zelle, die eine Abdeckung mit variabler Anordnung aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
10 ist ein Schaubild, das eine Wiederherstellung des elektrischen Wirkungsgrades einer Photovoltaik-Thermie-Zelle von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
GENAUE BESCHREIBUNG
Wie oben angegeben, bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Photovoltaik-Thermie-System, das dazu eingerichtet ist, den elektrischen Wirkungsgrad einer Photovoltaik-Thermie-Zelle durch eine thermische Temperung wiederherzustellen, und auf ein Verfahren zum Betreiben des Photovoltaik-Thermie-Systems, die nun mit den beigefügten Zeichnungen genau beschrieben werden. In sämtlichen Zeichnungen werden dieselben Bezugszeichen oder Buchstaben verwendet, um gleiche oder gleichartige Elemente zu kennzeichnen. Die Zeichnungen sind nicht zwingend maßstabsgetreu dargestellt.
So, wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich „Photovoltaikmaterial” auf ein beliebiges Material, das bei Bestrahlung mit einer elektromagnetischen Strahlung eine Spannungsdifferenz zwischen zwei Anschlüssen erzeugt. Die elektromagnetische Strahlung kann das sichtbare Spektrum, den ultravioletten Bereich und den Infrarotbereich beinhalten.
So, wie der Begriff hierin verwendet wird, handelt es sich bei einer „Wärmeleistung” um eine Leistung, die an einem Ende eines Umlaufsystems als Wärmeaustauschmedium mit einer höheren Temperatur als die Umgebungstemperatur bereitgestellt wird, der das Wärmeaustauschmedium an einem anderen Ende des Umlaufsystems ausgesetzt wird.
So, wie der Begriff hierin verwendet wird, bezieht sich eine „Photovoltaik-Thermie(PVT)-Zelle” auf eine Zelle, die dazu eingerichtet ist, Elektrizität und eine Wärmeleistung aus einer Strahlung zu erzeugen, die auf die Zelle fällt.
So, wie der Begriff hierin verwendet wird, bezieht sich ein „Photovoltaik-Thermie(PVT)-System” auf ein System, das zumindest eine Photovoltaik-Thermie-Zelle beinhaltet und dazu eingerichtet ist, Elektrizität und/oder eine Wärmeleistung von der zumindest einen Photovoltaik-Thermie-Zelle bereitzustellen.
Unter Bezugnahme auf 1 beinhaltet ein beispielhaftes Photovoltaik-Thermie(PVT)-System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine Photovoltaik-Thermie(PVT)-Zelle 10, die dazu eingerichtet ist, Elektrizität und eine Wärmeleistung zu erzeugen. Zumindest ein in der Zelle befindliches Rohr 5 befindet sich in der PVT-Zelle 10. Ein Wärmeaustauschfluid, bei dem es sich um eine Flüssigkeit oder um ein Gas handeln kann, fließt durch das zumindest eine in der Zelle befindliche Rohr 5. Das Wärmeaustauschfluid wird durch ein Rohr 85 auf der Einlassseite der PVT-Zelle in das zumindest eine in der Zelle befindliche Rohr 5 geleitet und wird durch ein Rohr 15 auf der Auslassseite der PVT-Zelle aus dem zumindest einen in der Zelle befindlichen Rohr 5 geleitet. Eine Umlaufpumpe 60 kann sich an einem Abschnitt des Rohres 15 auf der Einlassseite der PVT-Zelle zwischen dem zumindest einen in der Zelle befindlichen Rohr 5 und einem ersten Ventil 18 befinden. Alternativ kann sich die Umlaufpumpe 60 an einem Abschnitt des Rohres 85 auf der Auslassseite der PVT-Zelle zwischen dem zumindest einen in der Zelle befindlichen Rohr 5 und einem dritten Ventil 88 befinden.
Das beispielhafte PVT-System beinhaltet eine Wärmetauschereinheit 30, durch die ein erstes Wärmetauscherrohr 32 verläuft. Das erste Wärmetauscherrohr 32 ist dazu eingerichtet, einen Umlauf des Wärmeaustauschfluids zu ermöglichen, das durch das Rohr 85 auf der Einlassseite der PVT-Zelle, das zumindest eine in der Zelle befindliche Rohr 5 und das Rohr 15 auf der Auslassseite der PVT-Zelle fließt. Ein Rohr 25 auf der Einlassseite des Wärmetauschers kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, das Wärmeübertragungsfluid aus dem Rohr 85 auf der Einlassseite der PVT-Zelle durch eine Kesseleinheit 20 aufzunehmen und das Wärmeübertragungsfluid dem Rohr 85 auf der Einlassseite der PVT-Zelle zuzuführen, bei dem es sich auch um ein Rohr auf der Auslassseite des Wärmetauschers handelt.
Ein zweites Wärmeaustauschrohr 78 verläuft durch die Wärmetauschereinheit 30. Das zweite Wärmetauscherrohr 78 kann durch ein Kaltwasser-Versorgungsrohr 75 mit einem Kaltwasser-Versorgungssystem 61 verbunden sein. Eine Wasserversorgungspumpe 70 kann an dem Kaltwasser-Versorgungsrohr bereitgestellt werden, um Kaltwasser in das zweite Wärmeaustauschrohr 78 während der Erzeugung von Warmwasser einzuleiten, das durch Erwärmen des Kaltwassers bereitgestellt wird, des der Wärmetauschereinheit durch Übertragen der Wärme in dem Wärmeaustauschfluid in dem ersten Wärmeaustauschrohr 32 in das Wasser in dem zweiten Wärmeaustauschrohr 78 zugeführt wird. Das erste Wärmeaustauschrohr 32 und das zweite Wärmeaustauschrohr 78 sind dazu eingerichtet, eine wirksame Wärmeübertragung zwischen ihnen zu ermöglichen. Es können beliebige Anordnungen zweier Wärmeaustauschrohre zum wirksamen Übertragen von Wärme nach dem Stand der Technik als erstes Wärmeaustauschrohr 32 und als zweites Wärmeaustauschrohr 78 in der Wärmetauschereinheit 30 eingesetzt werden. Das Warmwasser fließt durch ein Warmwasser-Versorgungsrohr 87 zu einem Warmwasserverteilungs-Steuersystem 89, das das Warmwasser aus dem Warmwasser-Versorgungsrohr 87 an jede Anwendung verteilt, die die Verwendung des Warmwassers erfordert.
Das beispielhafte PVT-System beinhaltet ein Fluidumlaufsystem, das dazu eingerichtet ist, das Wärmeaustauschfluid über zumindest zwei verschiedene Umlaufwege in verschiedenen Betriebsmodi umlaufen zu lassen. Bei einer Ausführungsform kann das Fluidumlaufsystem ein Wärmeübertragungsfluid-Umleitungs- und Erwärmungssystem 200 beinhalten, das zwischen der Baugruppe aus der PVT-Zelle 10, einem Abschnitt des Rohres 85 auf der Einlassseite der PVT-Zelle, dem zumindest einen in der Zelle befindlichen Rohr 5 und einem Abschnitt des Rohres 15 auf der Auslassseite der PVT-Zelle und einer Baugruppe aus dem ersten Wärmeaustauschrohr 32 in dem Wärmetauscher 30, einem Abschnitt des Rohres 25 auf der Einlassseite des Wärmetauschers und einem weiteren Abschnitt des Rohres 85 auf der Einlassseite der PVT-Zelle, bei dem es sich um das Rohr auf der Auslassseite des Wärmetauschers handelt, bereitgestellt wird.
Das Wärmeübertragungsfluid-Umleitungs- und -Erwärmungssystem 200 beinhaltet eine Kesseleinheit 20, die dazu eingerichtet ist, das Wärmeübertragungsfluid aus dem Rohr 15 auf der Auslassseite der PVT-Zelle aufzunehmen, das Wärmeübertragungsfluid in einigen Betriebsmodi zu erwärmen und das Wärmeübertragungsfluid dem Rohr 25 auf der Einlassseite des Wärmetauschers zuzuführen. Es wird zumindest ein Ventil innerhalb des Wärmeübertragungsfluid-Umleitungs- und -Erwärmungssystems 200, das eine Kesseleinheit 20 beinhaltet, bereitgestellt, sodass das Wärmeaustauschfluid in verschiedenen Betriebsmodi über zumindest zwei verschiedene Umlaufwege umlaufen gelassen werden kann. Die zumindest zwei verschiedenen Umlaufwege beinhalten einen ersten Umlaufweg, der das zumindest eine in der Zelle befindliche Rohr 5, bei dem es sich um ein Rohr durch die PVT-Zelle 10 handelt, und das erste Wärmeaustauschrohr 32, bei dem es sich um ein Rohr durch die Wärmetauschereinheit 30 handelt, in der das Wärmeaustauschfluid Wärme verliert, beinhaltet. Die zumindest zwei verschiedenen Umlaufwege beinhalten einen zweiten Umlaufweg, der das zumindest eine in der Zelle befindliche Rohr 5, d. h. das Rohr durch die PVT-Zelle 10, beinhaltet und das Rohr durch die PVT-Zelle nicht beinhaltet und das erste Wärmeaustauschrohr 32, d. h. ein Rohr durch die Wärmetauschereinheit 30, nicht beinhaltet. Der zweite Umlaufweg kann ein Wärmetauscher-Umgehungsrohr 55 oder ein Kessel-/Zellen-Umgehungsrohr 45 beinhalten. Die Kesseleinheit 20 kann eine (nicht abgebildete) interne Pumpe beinhalten, um den Umlauf des Wärmeübertragungsfluids zu erleichtern.
Bei einer Ausführungsform kann der zweite Umlaufweg das Wärmetauscher-Umgehungsrohr 55 beinhalten, und das Wärmeübertragungsfluid-Umleitungs- und -Erwärmungssystem 200 kann ein erstes Ventil 28 beinhalten, das dazu eingerichtet ist, einen Umlaufweg des Wärmeaustauschfluids aus einem ersten Umlaufweg, der das erste Wärmeaustauschrohr 32, d. h. ein Rohr durch die Wärmetauschereinheit 30, beinhaltet, und einem zweiten Umlaufweg auszuwählen, der das erste Wärmeaustauschrohr 32 umgeht und den Fluss des Wärmeübertragungsfluids in das Wärmetauscher-Umgehungsrohr 55 leitet. Das erste Ventil 28 kann in das Rohr 25 auf der Einlassseite des Wärmetauschers eingebaut sein. Bei dem ersten Ventil 28 kann es sich um ein Dreiwegeventil handeln.
Bei einer Ausführungsform kann der zweite Umlaufweg ein Wärmetauscher-Umgehungsrohr 55 beinhalten, und das Wärmeübertragungsfluid-Umleitungs- und -Erwärmungssystem 200 kann ein zweites Ventil 18 beinhalten, das dazu eingerichtet ist, den Umlaufweg des Wärmeaustauschfluids aus dem ersten oder dem zweiten Umlaufweg und einem dritten Umlaufweg auszuwählen, der die Kesseleinheit 20 und die Wärmetauschereinheit 30 umgeht und den Fluss des Wärmeübertragungsfluids in das Kessel-/Zellen-Umgehungsrohr 45 leitet. Das zweite Ventil 18 kann in das Rohr 15 auf der Auslassseite der PVT-Zelle eingebaut sein. Bei einer Ausführungsform kann es sich bei dem zweiten Ventil 18 um ein Dreiwegeventil handeln.
Optional kann das Wärmeübertragungsfluid-Umleitungs- und -Erwärmungssystem 200 ein drittes Ventil 88 beinhalten, das sich an einem gemeinsamen Verzweigungspunkt in den Umlaufwegen des Wärmeaustauschfluids befindet. Das dritte Ventil 88 kann dazu eingerichtet sein, einen von zwei Einlässen auszuwählen, die sich an einem Ende eines Abschnitts des Rohres 85 auf der Einlassseite der PVT-Zelle bzw. an einem Ende des Kessel-/Zellen-Umgehungsrohres 45 befinden. Bei dem dritten Ventil 88 kann es sich um ein Dreiwegeventil handeln. Der Abschnitt des Rohres 85 auf der Einlassseite der PVT-Zelle ist mit einem Auslass der Wärmetauschereinheit 30, d. h. dem Auslass des ersten Wärmeaustauschrohres 32, verbunden, und das Kessel-/Zellen-Umgehungsrohr 45 ist entsprechend mit einem Auslass des zweiten Ventils 18 verbunden. Des Weiteren ist die Auslassseite des dritten Ventils 88 mit einem Einlass der PVT-Zelle 10, d. h. der/den Einlassseite(n) des zumindest einen in der Zelle befindlichen Rohres 5, verbunden.
Elektrizität, die von der PVT-Zelle 10 erzeugt wird, wird durch einen ersten Satz von Leitungsdrähten 92 zu einer Elektrizitätsspeichereinheit 94 übertragen, bei der es sich um einen Satz aus zumindest einem Kondensator oder eine beliebige sonstige Elektrizität speichernde Einheit nach dem Stand der Technik handeln kann. Die in der Elektrizitätsspeichereinheit 94 gespeicherte Elektrizität wird durch einen zweiten Satz von Leitungsdrähten 96 einem Elektrizitätsverteilungssystem 99 zugeführt. Bei dem Elektrizitätsverteilungssystem 99 kann es sich um ein beliebiges System nach dem Stand der Technik handeln, das in der Lage ist, in der Elektrizitätsspeichereinheit 94 gespeicherte Elektrizität zu verteilen. Optional kann ein dritter Satz von Leitungsdrähten 97 bereitgestellt werden, um die Kesseleinheit 20 und/oder eine der Umlaufpumpe 60, einer Wasserversorgungspumpe 70 und/oder einer optionalen Steuereinheit 22 mit Strom zu versorgen. Bei der Steuereinheit 22 kann es sich um eine Steuereinheit beliebigen Typs nach dem Stand der Technik handeln, die für eine selbsttätige Steuerung eingerichtet ist, und sie kann in einem Personal-Computer, einem Unternehmens-Server, einer mobilen Einheit oder einer drahtlosen Fernsteuerungseinheit verkörpert werden, der/die Daten empfängt und Befehle bereitstellt.
Bei einer Ausführungsform kann die Steuereinheit 22 bereitgestellt werden, um den Betrieb des Wärmeübertragungsfluid-Umleitungs- und -Erwärmungssystems 200 zu steuern und/oder die Temperatur zumindest eines Teils der PVT-Zelle 10 zu überwachen. Bei einer Ausführungsform kann ein Temperaturfühler innerhalb der PVT-Zelle 10 platziert werden, um die Temperatur eines Photovoltaikmaterials zu überwachen, das einen p-n-Übergang beinhaltet und sich an der Vorderseite der PVT-Zelle 10 befindet, die von einer Lichtquelle wie zum Beispiel der Sonne bestrahlt wird. Optional kann ein weiterer Temperaturfühler direkt auf dem zumindest einen in der Zelle befindlichen Rohr 5 innerhalb der PVT-Zelle platziert werden, um die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids innerhalb der PVT-Zelle 10 zu überwachen. Bei den Temperaturfühlern kann es sich um eine beliebige elektronische Schaltung nach dem Stand der Technik handeln.
Bei einer Ausführungsform kann es sich bei dem Wärmeaustauschfluid um destilliertes Wasser handeln, und der Siedepunkt des Wärmeaustauschfluids kann im Wesentlichen bei 100 Grad Celsius liegen (mit einer Schwankung, die aus Änderungen im Luftdruck oder dem Druck resultiert, mit dem das destillierte Wasser beaufschlagt wird). Bei einer weiteren Ausführungsform kann es sich bei dem Wärmeaustauschfluid um eine andere Flüssigkeit als Wasser handeln. Das Wärmeaustauschfluid kann zum Beispiel Glykol oder eine Mischung aus destilliertem Wasser und Glykol sein.
Einzelheiten eines vergrößerten Bereichs M in 1 werden in 2A und 2B veranschaulicht. 2A ist eine Draufsicht auf einen oberen Abschnitt einer beispielhaften PVT-Zelle 10 in dem beispielhaften Photovoltaik-Thermie-System von 1, und 2B ist eine vertikale Querschnittsansicht der beispielhaften PVT-Zelle 10 von 2A entlang der Ebene B in 2A.
Die beispielhafte PVT-Zelle 10 beinhaltet ein Isolatorsubstrat 110. Das Isolatorsubstrat 110 beinhaltet ein Isolatormaterial, bei dem es sich zum Beispiel um Kunststoff (wie beispielsweise Polyurethan) oder ein beliebiges sonstiges Isolatormaterial nach dem Stand der Technik handeln kann. Die Dicke des Isolatorsubstrats 110 wird so gewählt, dass eine ausreichende mechanische Festigkeit bereitgestellt wird, um eine wärmeleitfähige Struktur 120 mit Finnen und eine Photovoltaikmaterialschicht 130 sowie das zumindest eine in der Zelle befindliche Rohr 5, das durch das Isolatorsubstrat 110 verläuft, zu stützen.
Beispielsweise kann die Dicke des Isolatorsubstrats 110 zwischen 0,5 cm und 10 cm betragen.
Die wärmeleitfähige Struktur 120 mit Finnen kann auf dem Isolatorsubstrat durch Ausbilden von parallelen Nuten und anschließendem Füllen der parallelen Nuten mit einem leitfähigen Material wie zum Beispiel Aluminium oder Kupfer ausgebildet werden. Jede der parallelen Nuten in dem Isolatorsubstrat 110 wird mit einer leitfähigen Finne gefüllt. Die leitfähigen Finnen und eine darüberliegende ebene Schicht eines leitfähigen Materials sind als integrale Struktur ausgebildet, die die wärmeleitfähige Struktur 120 mit Finnen bildet.
Die beispielhafte PVT-Zelle 10 beinhaltet des Weiteren eine Photovoltaikmaterialschicht 130, die ein Photovoltaikmaterial beinhaltet, in dem ein p-n-Übergang enthalten ist. Die Photovoltaikmaterialschicht 130 kann zum Beispiel durch Abscheidung zumindest eines Photovoltaikmaterials auf der Oberfläche der wärmeleitfähigen Struktur 120 mit Finnen ausgebildet werden. Das Photovoltaikmaterial kann ein beliebiges Material beinhalten, das einer Verschlechterung des elektrischen Wirkungsgrades unterliegt, bei dem es sich um den Prozentsatz der erzeugten elektrischen Leistung im Verhältnis zu der Leistung der einfallenden Strahlung (z. B. der Leistung der auftreffenden Solarstrahlung) handelt. Das zumindest eine Photovoltaikmaterial kann beispielsweise durch chemische Gasphasenabscheidung (PVD), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), Vakuumaufdampfen oder ein beliebiges sonstiges bekanntes Verfahren zum Abscheiden von Halbleitermaterialien nach dem Stand der Technik abgeschieden werden. Elektrische Leitungen (ohne Abbildung) werden an der Photovoltaikmaterialschicht 130 bereitgestellt, um die in dem Photovoltaikmaterial erzeugte Elektrizität zu sammeln. Optional kann die Photovoltaikmaterialschicht 130 beispielsweise durch lithographische Verfahren und eine Ätzung strukturiert werden, um mehrere seitlich beabstandete Abschnitte der Photovoltaikmaterialschicht 130 bereitzustellen. Der physische Kontakt zwischen der Oberfläche der wärmeleitfähigen Struktur 120 mit Finnen und der Photovoltaikmaterialschicht 130 erhöht die Wärmeübertragung von der Photovoltaikmaterialschicht 130 zu der wärmeleitfähigen Struktur 120 mit Finnen, um die Wärmeleistung der beispielhaften PVT-Zelle 10 zu verbessern.
Bei einer Ausführungsform kann das Photovoltaikmaterial ein amorphes Halbleitermaterial beinhalten. Bei dem amorphen Halbleitermaterial kann es sich um amorphes Silicium, amorphes Germanium, eine amorphe Silicium-Germanium-Legierung, amorphes Gallium-Arsenid, amorphes Indium-Arsenid, amorphes Gallium-Indium-Arsenid, amorphes Cadmium-Tellurid (CdTe), amorphes Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe₂ oder CIS) oder um ein beliebiges sonstiges amorphes Halbleitermaterial handeln, das für das Erzeugen von Elektrizität an einem p-n-Übergang bekannt ist. Das Photovoltaikmaterial kann hydriert sein, d. h. es kann Wasserstoff enthalten. Bei einer Ausführungsform kann es sich bei dem Photovoltaikmaterial um hydriertes amorphes Silicium handeln. Es kann ein beliebiger p-n-Übergang nach dem Stand der Technik innerhalb der Photovoltaikmaterialschicht 130 eingesetzt werden.
Die beispielhafte PVT-Zelle 10 beinhaltet des Weiteren einen Rahmen 140. Der Rahmen 140 stellt eine seitliche strukturelle Unterstützung des Isolatorsubstrats 110 bereit. Bei einer Ausführungsform kann der Rahmen 140 das Isolatorsubstrat 110 umgeben. Der Rahmen 140 kann durch ein beliebiges mechanisches Mittel nach dem Stand der Technik strukturell mit dem Isolatorsubstrat 110 verbunden werden, zum Beispiel mit einer Schraube, einem Bolzen, einem Klebstoff, Presspassung, einer Feder, einer Konstruktion als einheitliche (einzelne) Struktur usw. Der Rahmen 140 beinhaltet ein Isolatormaterial, bei dem es sich zum Beispiel um Kunststoff (wie beispielsweise Polyurethan) oder ein beliebiges sonstiges Isolatormaterial nach dem Stand der Technik handeln kann.
Über der Photovoltaikmaterialschicht 130 wird eine Abdeckung 160 bereitgestellt. Die Abdeckung 160 ist optional transparent, um die Strahlung in dem Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung eintreten zu lassen, in dem die Photovoltaikmaterialschicht 130 Elektrizität erzeugen kann. Optional kann eine Oberflächentexturierung auf der Vorder- und/oder Rückfläche der Abdeckung 160 eingesetzt werden, um eine Strahlung, die auf die Vorderfläche (Oberfläche) der Abdeckung auftrifft, innerhalb der Vertiefung zwischen der Photovoltaikmaterialschicht 130 und der Rückfläche der Abdeckung 160 einzufangen.
Bei einer Ausführungsform kann es sich bei der Abdeckung 160 um eine Abdeckung mit variabler Anordnung handeln, d. h. um eine Abdeckung, die zumindest zwei verschiedene Anordnungen aufweist, zwischen oder unter denen sich die Abdeckung bewegen kann. Die zumindest zwei verschiedenen Anordnungen der Abdeckung mit variabler Anordnung stellen eine andere Stufe des Einfangens von Wärme für die Luft zwischen der Vorderfläche der Photovoltaikmaterialschicht 130 und der Rückfläche der Abdeckung 160 bereit. Beispielsweise kann die Luft zwischen der Vorderfläche der Photovoltaikmaterialschicht 130 und der Rückfläche der Abdeckung 160 bei einer der zumindest zwei verschiedenen Anordnungen in einem abgeschlossenen Volumen eingefangen werden, und sie wird bei zumindest einer weiteren der zumindest zwei verschiedenen Anordnungen belüftet.
Optional kann eine Rückseitenstruktur 150 bereitgestellt werden. Die Rückseitenstruktur kann mit dem Isolatorsubstrat 10 und/oder dem Rahmen 140 verbunden sein und kann eine zusätzliche Wärmeisolierung und/oder einen Mechanismus zum Anbringen und/oder Bewegen der beispielhaften PVT-Zelle 10 bereitstellen.
Zumindest ein in der Zelle befindliches Rohr 5 ist dazu eingerichtet, durch die Finnen der wärmeleitfähigen Struktur 120 mit Finnen zu verlaufen und diese zu berühren. Der physische Kontakt zwischen den Finnen der wärmeleitfähigen Struktur 120 mit Finnen und dem zumindest einen in der Zelle befindlichen Rohr 5 stellt einen Wärmeleitweg bereit, über den die in der Photovoltaikmaterialschicht 130 und der wärmeleitfähigen Struktur 130 mit Finnen gesammelte Wärme in das Wärmeübertragungsfluid übertragen wird, das durch das zumindest eine in der Zeile befindliche Rohr 5 hindurchläuft. Wie im Folgenden erläutert wird, stellt der physische Kontakt zwischen den Finnen der wärmeleitfähigen Struktur 120 mit Finnen und dem zumindest einen in der Zelle befindlichen Rohr 5 darüber hinaus einen Wärmeleitweg bereit, durch den die Wärme in dem Wärmeübertragungsfluid in dem zumindest einen in der Zelle befindlichen Rohr 5 während einer Temperung bei erhöhter Temperatur zu dem Photovoltaikmaterial in der Photovoltaikmaterialschicht 130 übertragen wird, um den elektrischen Wirkungsgrad des Photovoltaikmaterials wiederherzustellen.
Unter Bezugnahme auf 3 wird der Betrieb des beispielhaften PVT-Systems von 1 in einem durch die Kesseleinheit betriebenen Wärmezufuhrmodus veranschaulicht. In dem durch die Kesseleinheit betriebenen Wärmezufuhrmodus wird die Wärme, die zum Betreiben des beispielhaften PVT-Systems erforderlich ist, durch die Kesseleinheit 20 bereitgestellt, d. h. die Kesseleinheit 20 wird als Antrieb für die Wärmezufuhr zu dem beispielhaften PVT-System eingesetzt. Der durch die Kesseleinheit betriebene Wärmezufuhrmodus kann eingesetzt werden, wenn die Wärmeleistung von der PVT-Zelle 10 zu gering ist, um genutzt zu werden, z. B. nachts.
Die Kesseleinheit 20 erwärmt das Wärmeübertragungsfluid, das durch das Rohr 25 auf der Einlassseite des Wärmetauschers und das erste Ventil 28 daran, das erste Wärmeaustauschrohr 32 innerhalb des Wärmetauschers 30, einen Abschnitt des Rohres 85 auf der Einlassseite der PVT-Zelle bis zu dem dritten Ventil 88, das Kessel-/Zellen-Umgehungsrohr 45, das zweite Ventil 18 und einen Abschnitt des Rohres 15 auf der Auslassseite der PVT-Zelle zwischen dem zweiten Ventil 18 und der Kesseleinheit 20 umlaufen gelassen wird. Auf diese Weise stellt die Kesseleinheit 20 dem Wärmetauscher 30 in dem durch den Kessel betriebenen Wärmezufuhrmodus ohne die Unterstützung durch eine Wärmeleistung von der PVT-Zelle 10 Wärme bereit.
Die Temperatur der PVT-Zelle 10 und verschiedener Abschnitte des zumindest einen in der Zelle befindlichen Rohres 5, des Rohres 85 auf der Einlassseite der PVT-Zelle und des Rohres 15 auf der Auslassseite der PVT-Zelle können durch die Steuereinheit 22 überwacht werden. Wenn sich die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids dem Gefrierpunkt des Wärmeübertragungsfluids, d. h. bei destilliertem Wasser 0 Grad Celsius, nähert, kann der Umlaufweg des Wärmeübertragungsfluids vorübergehend geändert werden, indem die verschiedenen Ventile (18, 28, 88) dazu eingesetzt werden, einen erwärmten Teil des Wärmeübertragungsfluids in den Abschnitt der verschiedenen Rohre (5, 15, 85, 55) fließen zu lassen und das Gefrieren des Wärmeübertragungsfluids zu verhindern. Solche vorübergehenden Änderungen des Umlaufweges zum Verhindern des Gefrierens des Wärmeübertragungsfluids (z. B. in Winternächten) werden hierin als „Frostschutzzyklen” bezeichnet.
Unter Bezugnahme auf 4 wird der Betrieb des beispielhaften PVT-Systems von 1 in einem Photovoltaik-Thermie-Betriebsmodus veranschaulicht. In dem Photovoltaik-Thermie-Betriebsmodus stellt eine Lichtquelle (wie zum Beispiel die Sonne) ausreichend Energie bereit, um Elektrizität und eine Wärmeleistung von der PVT-Zelle 10 zu erzeugen. Bei dem Photovoltaik-Thermie-Betriebsmodus handelt es sich um den Modus, in dem die Leistung der Strahlung, die auf die PVT-Zelle 10 trifft, am besten genutzt wird. Die Elektrizität wird zu der Elektrizitätsspeichereinheit 94 und dem Elektrizitätsverteilungssystem 99 geleitet. Die Wärmeleistung wird in Form der Wärme, die durch das Wärmeübertragungsfluid transportiert wird, das aus dem zumindest einen in der Zelle befindlichen Rohr 50 austritt, zu dem Wärmetauscher 30 übertragen. Der Umlaufweg des Wärmeübertragungsfluids im Photovoltaik-Thermie-Betriebsmodus, der hierin als erster Umlaufweg bezeichnet wird, beinhaltet das zumindest eine in der Zelle befindliche Rohr 5, das Rohr 15 auf der Auslassseite der PVT-Zelle und das zweite Ventil 18 daran, die Kesseleinheit 20, das Rohr 25 auf der Einlassseite des Wärmetauschers und das erste Ventil 28 daran, das erste Wärmeaustauschrohr 32 und das Rohr 85 auf der Einlassseite der PVT-Zelle.
Da der elektrische Wirkungsgrad der PVT-Zelle 10 bei erhöhten Temperaturen negativ beeinflusst wird, kann die Temperatur der PVT-Zelle 10 überwacht werden, und es können Anpassungen an der Abdeckung 160 vorgenommen werden (siehe 2A und 2B), um eine gewisse Belüftung für die Vorderfläche der Photovoltaikmaterialschicht 130 der PVT-Zelle 10 bereitzustellen. Bei einer Ausführungsform wird die Abdeckung 160 nicht vollständig geöffnet, sodass ein erheblicher Teil der Strahlung, der von der Oberfläche der Photovoltaikmaterialschicht 130 reflektiert wird, zwischen der Rückfläche der Abdeckung 160 und der Vorderfläche der Photovoltaikmaterialschicht 130 eingefangen werden kann. Der Grad der teilweisen Öffnung der Abdeckung 160 kann durch die Steuereinheit 22 auf der Grundlage eines vorprogrammierten Algorithmus zum Verbessern des elektrischen Wirkungsgrades als Funktion der Temperatur und des Ausmaßes des Lichteinfangs für das Licht gesteuert werden, das von der Oberfläche der Photovoltaikmaterialschicht 130 reflektiert wird.
Die Verwendung des beispielhaften PVT-Systems führt zu einer Verschlechterung des elektrischen Wirkungsgrades, wie oben erörtert. Folglich wird eine Prozedur zum Wiederherstellen des elektrischen Wirkungsgrades der PVT-Zelle 10 durchgeführt, die das Wärmeübertragungsfluid-Umleitungs- und Erwärmungssystem 200 einsetzt.
Bei einer Ausführungsform kann es sich bei der Prozedur zum Wiederherstellen des elektrischen Wirkungsgrades um einen Prozess mit zwei Schritten handeln. Unter Bezugnahme auf 5 kann während des ersten Schritts der Prozedur zur Wiederherstellung des elektrischen Wirkungsgrades ein einleitender Wärmeaustauschfluid-Erwärmungsmodus eingesetzt werden.
In dem einleitenden Wärmeaustauschfluid-Erwärmungsmodus werden das zweite Ventil 28 und das dritte Ventil 88 so betätigt, dass das Wärmeaustauschfluid in dem zumindest einen in der Zelle befindlichen Rohr 5 über einen Umlaufweg umlaufen gelassen wird, der hierin als ein dritter Umlaufweg bezeichnet wird. Der dritte Umlaufweg beinhaltet das zumindest eine in der Zelle befindliche Rohr 5, das Rohr 15 auf der Auslassseite der PVT-Zelle, das Kessel-/Zellen-Umgehungsrohr 45 und einen Abschnitt des Rohres 85 auf der Einlassseite der PVT-Zelle zwischen dem dritten Ventil 88 und dem zumindest einen in der Zelle befindlichen Rohr 5. Auf diese Weise lässt das dritte Ventil 88 während des einleitenden Wärmeaustauschfluid-Erwärmungsmodus ein Einströmen des Wärmeaustauschfluids von einem Auslass des zweiten Ventils 28 zu.
Die Wärmeleistung von der PVT-Zelle 10 wird anschließend dazu verwendet, das Wärmeübertragungsfluid zu erwärmen, das innerhalb der dritten Umlaufschleife, die keinen Wärmetauscher beinhaltet, eingeschlossen ist. Die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids innerhalb der dritten Umlaufschleife steigt, bis die Wärmeableitung an die Umgebung von den Oberflächen der Rohre (5, 15, 45, 85), der Ventile (18, 88), der Umlaufpumpe 60 und der PVT-Zelle 20 der Wärmeleistung der PVT-Zelle 10 entspricht. Die Gleichgewichtstemperatur, bei der sich die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids im einleitenden Wärmeaustauschfluid-Erwärmungsmodus stabilisiert, hängt von der Gestaltung der physischen Durchführung eines PVT-Systems ab und kann bei einer typischen Anlage etwa 72 Grad Celsius betragen.
Wenn sich die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids der Gleichgewichtstemperatur nähert (z. B. auf innerhalb von 5 Grad), kann ein zweiter Schritt der Prozedur zum Wiederherstellen des elektrischen Wirkungsgrades eingeleitet werden. In dem zweiten Schritt arbeitet das PVT-System in einem Tempermodus, bei dem die Kesseleinheit 20 und optional Änderungen in der Gestaltung der Abdeckung 160 (siehe 2A und 2B) eingesetzt werden können, um eine zusätzliche Erwärmung des Photovoltaikmaterials in der Photovoltaikmaterialschicht 130 in der PVT-Zelle 10 bereitzustellen.
Im Tempermodus erwärmt die Kesseleinheit 20 das Wärmeübertragungsfluid weiter. Das zweite Ventil 28 und das dritte Ventil 88 werden so betätigt, dass das Wärmeaustauschfluid in dem zumindest einen in der Zelle befindlichen Rohr 5 über einen anderen Umlaufweg umlaufen gelassen wird, der hierin als ein zweiter Umlaufweg bezeichnet wird. Der zweite Umlaufweg beinhaltet das zumindest eine in der Zelle befindliche Rohr 5, das Rohr 15 auf der Auslassseite der PVT-Zelle, die Kesseleinheit 20, einen Abschnitt des Rohres 25 auf der Einlassseite des Wärmetauschers bis zu dem ersten Ventil 28, das Wärmetauscher-Umgehungsrohr 55 und einen Abschnitt des Rohres 85 auf der Einlassseite der PVT-Zelle zwischen einem Ende des Wärmetauscher-Umgehungsrohres 55 und dem zumindest einen in der Zelle befindlichen Rohr 5. Auf diese Weise lässt das dritte Ventil 88 während des Tempermodus ein Einströmen des Wärmeaustauschfluids zu, das aus der Kesseleinheit 20 austritt.
Die Kombination der Wärmeleistung von der PVT-Zelle 10 und der zusätzlichen, an der Kesseleinheit 20 bereitgestellten Wärme wird dazu verwendet, das Wärmeübertragungsfluid zu erwärmen, das innerhalb der zweiten Umlaufschleife, die keinen Wärmetauscher beinhaltet, eingeschlossen ist. Die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids innerhalb der zweiten Umlaufschleife steigt auf den Siedepunkt des Wärmeübertragungsfluids, der im Fall von destilliertem Wasser im Wesentlichen bei 100 Grad Celsius liegt.
Die lokale Temperatur des Photovoltaikmaterials innerhalb der Photovoltaikmaterialschicht 130 (siehe 2A und 2B) der PVT-Zelle kann über die Siedetemperatur des Wärmeübertragungsfluids hinaus erhöht werden, da die Wärmeleitfähigkeit des Materials der wärmeleitfähigen Struktur 120 mit Firmen zwar gut, aber nicht unbegrenzt ist.
Bei einer Ausführungsform wird die Temperatur des Photovoltaikmaterials in der Photovoltaikmaterialschicht 130 der PVT-Zelle 10 während des Temperns über den Siedepunkt des Wärmeaustauschfluids hinaus erhöht. Es können verschiedene Mittel eingesetzt werden, um eine zusätzliche lokale Erwärmung des Photovoltaikmaterials bereitzustellen. Bei hydriertem amorphen Silicium kann der elektrische Wirkungsgrad auf ein Höchstmaß in einem Temperaturbereich von 130 Grad Celsius bis 200 Grad Celsius wiederhergestellt werden. Die erforderliche Dauer der Temperung, die zum vollständigen Wiederherstellen des elektrischen Wirkungsgrades erforderlich ist, nimmt mit der Temperatur der Temperung ab. Beispielsweise ist bei etwa 130 Grad Celsius eine Temperung von einigen Stunden erforderlich, während bei etwa 200 Grad Celsius eine Temperung von 1 Minute erforderlich ist. Bei einer Ausführungsform, bei der es sich bei dem Photovoltaikmaterial um hydriertes amorphes Silicium handelt, kann das Photovoltaikmaterial in der Photovoltaikmaterialschicht 130 der PVT-Zelle 10 über einen Zeitraum hinweg, der je nach der Temperatur der Temperung zum Beispiel von 1 Minute bis zu mehreren Stunden betragen kann, auf eine Temperatur von über 130 Grad Celsius erwärmt werden.
Bei eher Ausführungsform kann es sich bei der Prozedur zum Wiederherstellen des elektrischen Wirkungsgrades um einen Einschrittprozess handeln, in dem der einleitende Wärmeaustauschfluid-Erwärmungsmodus des zweischrittigen Prozesses ausgelassen wird. Mit anderen Worten, die Prozedur zum Wiederherstellen des elektrischen Wirkungsgrades kann einen einschrittigen Temperprozess anwenden, der die in 6 dargestellte Anordnung einsetzt.
Bei einer Ausführungsform kann es sich bei der Abdeckung 160 (siehe 2A und 2B) um eine Abdeckung mit variabler Anordnung handeln. Das PVT-System kann im Photovoltaik-Thermie-Betriebsmodus arbeiten, bei dem es sich um einen Betriebsmodus handelt, der die Wärmeleistung erzeugt, während sich eine Abdeckung mit variabler Anordnung auf der PVT-Zelle in einer Position befindet, und anschließend kann die Position der Abdeckung mit variabler Anordnung während des Tempermodus in eine andere Position verändert werden, um das Einfangen von Wärme innerhalb eines abgeschlossenen Raumes zwischen der Rückseite einer Abdeckung 160 und der Vorderfläche der Photovoltaikmaterialschicht 130 zu verstärken.
Unter Bezugnahme auf 7 wird eine erste beispielhafte Struktur einer PVT-Zelle 10 veranschaulicht, die eine Abdeckung 160 mit variabler Anordnung aufweist. Die Abdeckung 160 mit variabler Anordnung kann an einem Gehäuse der PVT-Zelle 10 mit einem Drehgelenk befestigt sein, um das sich die Abdeckung 160 mit variabler Anordnung drehen kann. Ein gepunkteter Umriss 160' stellt eine alternative Position dar, in die die Abdeckung 160 mit variabler Anordnung in dem in 4 veranschaulichten Photovoltaik-Thermie-Betriebsmodus gebracht werden kann. Vor dem Tempern kann die Abdeckung 160 mit variabler Anordnung gedreht werden, beispielsweise durch Verwenden eines Betätigungsmechanismus wie zum Beispiel einer Kombination aus einem Motor und Getrieben (nicht dargestellt), die durch die Steuereinheit 22 gesteuert wird (siehe 1). Die Vorderfläche der PVT-Zelle 19 wird während des Temperns weniger belüftet als während des Photovoltaik-Thermie-Betriebsmodus. Bei einer Ausführungsform kann während des Temperns ein abgeschlossenes Volumen, das durch die Flächen der Vorderseite der Photovoltaikmaterialschicht 130 und von Seitenwänden des Rahmens 140 und der Abdeckung 160 mit variabler Anordnung eingeschlossen wird, ausgebildet werden, wodurch die lokale Temperatur des Photovoltaikmaterials der Photovoltaikmaterialschicht 130 über den Siedepunkt des Wärmeaustauschfluids hinaus erhöht wird.
Unter Bezugnahme auf 8 wird eine zweite beispielhafte Struktur einer PVT-Zelle 10 veranschaulicht, die eine Abdeckung 160 mit variabler Anordnung aufweist. Die Abdeckung 160 mit variabler Anordnung kann so eingerichtet sein, dass sie in einer Ebene gleitet, die im Wesentlichen parallel zu der Vorderfläche der PVT-Zelle 10 ist. Ein gepunkteter Umriss 160' stellt eine alternative Position dar, in die die Abdeckung 160 mit variabler Anordnung in dem in 4 veranschaulichten Photovoltaik-Thermie-Betriebsmodus gebracht werden kann. Vor dem Tempern kann die Abdeckung 160 mit variabler Anordnung in der Ebene verschoben werden, beispielsweise durch Verwenden eines Betätigungsmechanismus wie zum Beispiel einer Kombination aus einem Motor, einer Zahnstange und einem Ritzel (nicht dargestellt). Der Betätigungsmechanismus kann durch die Steuereinheit 22 gesteuert werden (siehe 1). Die Vorderfläche der PVT-Zelle 19 wird während des Temperns weniger belüftet als während des Photovoltaik-Thermie-Betriebsmodus. Bei einer Ausführungsform kann während des Temperns ein abgeschlossenes Volumen, das durch die Flächen der Vorderseite der Photovoltaikmaterialschicht 130 und von Seitenwänden des Rahmens 140 und der Abdeckung 160 mit variabler Anordnung eingeschlossen wird, ausgebildet werden, wodurch die lokale Temperatur des Photovoltaikmaterials der Photovoltaikmaterialschicht 130 über den Siedepunkt des Wärmeaustauschfluids hinaus erhöht wird.
Unter Bezugnahme auf 9 wird eine dritte beispielhafte Struktur einer PVT-Zelle 10 veranschaulicht, die eine Abdeckung 160 mit variabler Anordnung aufweist. Die Abdeckung 160 mit variabler Anordnung kann dazu eingerichtet sein, sich in einer Richtung zu bewegen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Vorderfläche der PVT-Zelle 10 verläuft. Ein gepunkteter Umriss 160' stellt eine alternative Position dar, in die die Abdeckung 160 mit variabler Anordnung in dem in 4 veranschaulichten Photovoltaik-Thermie-Betriebsmodus gebracht werden kann. Vor dem Tempern kann die Abdeckung 160 mit variabler Anordnung in dieser Richtung bewegt werden, beispielsweise mithilfe eines Satzes von Zahnstangen 162, die dazu eingerichtet sind, sich mit der Drehung eines Satzes von Ritzeln (ohne Abbildung) aufwärts oder abwärts zu bewegen, die mit einem oder mehreren Motoren (ohne Abbildung) verbunden sind, die in den Rahmen 140 eingebaut sind. Die Vorderfläche der PVT-Zelle 19 wird während des Temperns weniger belüftet als während des Photovoltaik-Thermie-Betriebsmodus. Bei einer Ausführungsform kann während des Temperns ein abgeschlossenes Volumen, das durch die Flächen der Vorderseite der Photovoltaikmaterialschicht 130 und von Seitenwänden des Rahmens 140 und der Abdeckung 160 mit variabler Anordnung eingeschlossen wird, ausgebildet werden, wodurch die lokale Temperatur des Photovoltaikmaterials der Photovoltaikmaterialschicht 130 über den Siedepunkt des Wärmeaustauschfluids hinaus erhöht wird.
10 veranschaulicht ein Beispiel für die Wiederherstellung des elektrischen Wirkungsgrades oder des „Wirkungsgrades” durch eine Temperung, die 1 Minute lang bei 200 Grad Celsius durchgeführt wird. Durch regelmäßiges Durchführen einer Temperung kann der ursprüngliche Wirkungsgrad des elektrischen Wirkungsgrades wiederhergestellt werden. In dem veranschaulichten Beispiel von 10 kann die Temperung beispielsweise jeweils nach 10-stündiger Lichteinwirkdauer (die durch die Steuereinheit 22 nachverfolgt werden kann) durchgeführt werden, um den elektrischen Wirkungsgrad der PVT-Zelle von 10,2% wiederherzustellen.
Die vorliegende Offenbarung ist zwar insbesondere in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen derselben dargestellt und beschrieben worden, für Fachleute versteht es sich jedoch, dass die obigen und andere Änderungen in Formen und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung soll daher nicht auf die genauen beschriebenen und veranschaulichten Formen und Einzelheiten beschränkt werden, sondern soll in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Photovoltaik-Thermie(PVT)-System das Folgendes umfasst: eine Photovoltaik-Thermie(PVT)-Zelle, die dazu eingerichtet ist, Elektrizität zu erzeugen und eine Wärmeleistung bereitzustellen; und zumindest ein Mittel zum Erwärmen eines Photovoltaikmaterials innerhalb der Photovoltaik-Thermie-Zelle auf eine Temperatur von über 130 Grad Celsius über einen Zeitraum hinweg.
PVT-System nach Anspruch 1, wobei die PVT-Zelle eine Abdeckung mit variabler Anordnung beinhaltet, die dazu eingerichtet ist, zumindest zwei verschiedene Belüftungsstufen oberhalb einer Vorderfläche der PVT-Zelle bereitzustellen.
Photovoltaik-Thermie(PVT)-System, das Folgendes umfasst: eine Photovoltaik-Thermie(PVT)-Zelle, die dazu eingerichtet ist, Elektrizität zu erzeugen und eine Wärmeleistung bereitzustellen; und ein Fluidumlaufsystem, das dazu eingerichtet ist, ein Wärmeaustauschfluid über zumindest zwei verschiedene Umlaufwege in verschiedenen Betriebsmodi umlaufen zu lassen, wobei die zumindest zwei verschiedenen Umlaufwege einen ersten Umlaufweg, der ein Rohr durch die PVT-Zelle und ein Rohr durch eine Wärmetauschereinheit beinhaltet, in der das Wärmeaustauschfluid an Wärme verliert, und einen zweiten Umlaufweg beinhaltet, der das Rohr durch die PVT-Zelle beinhaltet und das Rohr durch die Wärmetauschereinheit nicht beinhaltet.
PVT-System nach Anspruch 3, wobei das zumindest eine Mittel ein erstes Ventil umfasst, das dazu eingerichtet ist, einen der zumindest zwei verschiedenen Umlaufwege auszuwählen.
PVT-System nach Anspruch 4, wobei das zumindest eine Mittel des Weiteren eine Kesseleinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, das Wärmeaustauschfluid zu erwärmen.
PVT-System nach Anspruch 5, wobei sich das erste Ventil an einem Rohr befindet, das das Wärmeaustauschfluid beinhaltet und sich zwischen der Kesseleinheit und der Wärmetauschereinheit befindet.
PVT-System nach Anspruch 5, das des Weiteren ein zweites Ventil umfasst, das dazu eingerichtet ist, einen Umlaufweg aus dem ersten oder dem zweiten Umlaufweg und einem dritten Umlaufweg auszuwählen, der die Kesseleinheit und die Wärmetauschereinheit umgeht.
PVT-System nach Anspruch 7, das des Weiteren ein drittes Ventil umfasst, das dazu eingerichtet ist, einen von zwei Einlässen auszuwählen, die mit einem Auslass der Wärmetauschereinheit bzw. mit einem Auslass des zweiten Ventils verbunden sind und die mit einem Einlass der PVT-Zelle verbunden sind.
PVT-System nach Anspruch 8, wobei die PVT-Zelle eine Abdeckung mit variabler Anordnung beinhaltet, die dazu eingerichtet ist, zumindest zwei verschiedene Belüftungsstufen oberhalb einer Vorderfläche der PVT-Zelle bereitzustellen.
PVT-System nach Anspruch 3, das des Weiteren eine Steuereinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, das zumindest eine Mittel zu steuern, um eine Temperatur eines Photovoltaikmaterials der PVT-Zelle über einen Siedepunkt des Wärmeaustauschfluids hinaus zu erhöhen.
PVT-System nach Anspruch 10, wobei die Abdeckung mit variabler Anordnung an einem Gehäuse der PVT-Zelle mit einem Drehgelenk befestigt ist, um das sich die Abdeckung mit variabler Anordnung drehen kann, wobei eine Drehung der Abdeckung mit variabler Anordnung verschiedene Belüftungsstufen für die Vorderfläche der PVT-Zelle bereitstellt.
PVT-System nach Anspruch 10, wobei die Abdeckung mit variabler Anordnung dazu eingerichtet ist, in einer Ebene zu gleiten, die im Wesentlichen parallel zu der Vorderfläche der PVT-Zelle ist, wobei ein Gleiten der Abdeckung mit variabler Anordnung in der Ebene verschiedene Belüftungsstufen für die Vorderfläche der PVT-Zelle bereitstellt.
PVT-System nach Anspruch 10, wobei die Abdeckung mit variabler Anordnung dazu eingerichtet ist, sich in einer Richtung zu bewegen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Vorderfläche der PVT-Zelle verläuft, wobei eine Bewegung der Abdeckung mit variabler Anordnung in der Richtung verschiedene Belüftungsstufen für die Vorderfläche der PVT-Zelle bereitstellt.
Verfahren zum Betreiben eines Photovoltaik-Thermie(PVT)-Systems, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Photovoltaik-Thermie(PVT)-Systems, das eine Photovoltaik-Thermie(PVT)-Zelle beinhaltet, die dazu eingerichtet ist, Elektrizität zu erzeugen und eine Wärmeleistung bereitzustellen; und Tempern eines Photovoltaikmaterials innerhalb der Photovoltaik-Thermie-Zelle bei einer Temperatur von über 130 Grad Celsius über einen Zeitraum hinweg.
Verfahren nach Anspruch 14, das des Weiteren Folgendes umfasst: Betreiben des PVT-Systems in einem Betriebsmodus, der die Wärmeleistung erzeugt, während sich eine Abdeckung mit variabler Anordnung auf der PVT-Zelle in einer Position befindet; und Ändern einer Position der Abdeckung mit variabler Anordnung während des Temperns in eine andere Position.