DE102013214470A1

DE102013214470A1 - Photovoltaikmodul und Anordnung zur Stromerzeugung

Info

Publication number: DE102013214470A1
Application number: DE102013214470.9A
Authority: DE
Inventors: Richard Auer; Hilmar v.Campe; Thomas Kunz; Katrin Lammers
Original assignee: Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Current assignee: Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2015-01-29
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: DE102013214470B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaikmodul (1) mit an dessen Vorderseite (V) vorgesehenen photovoltaischen Elementen zur Umwandlung von Licht (S) in Strom, wobei an einer der Vorderseite (V) gegenüberliegenden Rückseite (R) eine offenporige Schicht aufgebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Photovoltaikmodul und eine Anordnung zur Stromerzeugung unter Verwendung des Photovoltaikmoduls.
Nach dem Stand der Technik werden zur Erzeugung elektrischen Stroms in zunehmendem Maße Photovoltaikmodule verwendet. Photovoltaikmodule sind mit dem Nachteil behaftet, dass deren Wirkungsgrad mit zunehmender Temperatur abnimmt.
Nach dem Stand der Technik ist es aus "Photon international – The Photovoltaik Magazin – 6/2008, A complicated hybrid, Seiten 158–166" bekannt, ein Photovoltaikmodul an seiner Rückseite mit einer Kühleinrichtung zu versehen. Zu diesem Zweck ist an der Rückseite des Photovoltaikmoduls ein mäanderförmig gebogenes Rohr befestigt, welches mit Wasser durchströmt wird. Die vom Wasser aufgenommene Wärme wird über einen Wärmetauscher an die Umgebung ausgekoppelt. – Das Vorsehen einer derartigen Kühleirichtung sowie deren Betrieb erfordern einen relativ hohen Aufwand.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein möglichst einfach herstellbares, langlebiges und effizientes Photovoltaikmodul angegeben werden. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll eine möglichst einfache, langlebige und effiziente Anordnung zur Stromerzeugung angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 5 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 und 4 sowie 6 bis 14.
Nach Maßgabe der Erfindung wird ein Photovoltaikmodul mit an dessen Vorderseite vorgesehenen photovoltaischen Elementen zur Umwandlung von Licht in Strom vorgeschlagen, wobei an einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite eine offenporige Schicht aufgebracht ist. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene offenporige bzw. poröse Schicht ermöglicht die Aufnahme von Flüssigkeit. Vor allem bei hohen Temperaturen verdunstet die in der Schicht aufgenommene Flüssigkeit. Die dabei entstehende Verdunstungskälte kühlt das Photovoltaikmodul. Es wird einer durch Temperaturerhöhung bedingten Abnahme des Wirkungsgrads entgegengewirkt. Das vorgeschlagene Photovoltaikmodul lässt sich einfach herstellen, weist ein geringes Gewicht auf und ist langlebig. Damit kann in besonders effizienter Weise elektrischer Strom hergestellt werden.
Eine Porosität der porösen Schicht ist insbesondere so gewählt, dass darin die Flüssigkeit durch Kapillarwirkung von einem unteren Rand der Rückseite bis zu deren oberen Rand transportiert wird. Es ist allgemein bekannt, dass der Kapillardruck mit abnehmendem Kapillarradius zunimmt. Bei Verwendung einer bekannten Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, und einer bekannten vorgegebenen Steighöhe ist es möglich, die Porosität der porösen Schicht so einzustellen, dass Flüssigkeit über die gesamte Höhe der Rückseite hinweg entgegen der Schwerkraft bis zu deren oberen Rand durch Kapillarwirkung transportiert wird. Die vorgeschlagene Ausgestaltung hat den Vorteil, dass zum Transport der Flüssigkeit keinerlei weitere technische Mittel, beispielsweise ein Wasseranschluss, eine Rohrleitung, eine Pumpe oder dgl., erforderlich sind. Abgesehen davon ist das Photovoltaikmodul trotz der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Flüssigkeitskühlung mittels einer poröser Schicht unempfindlich gegen Frost.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schicht aus einem, vorzugsweise aus einem Polymer hergestellten, Textil gebildet. Bei dem Textil kann es sich um ein Gewebe oder Gewirk handeln. Das Textil kann aus Fasern oder Fäden hergestellt sein. Die Fasern oder Fäden können aus einem Polymer oder auch aus Glas oder Keramik gebildet sein. Die poröse Schicht kann mittels eines Klebstoffs an der Rückseite des Photovoltaikmoduls angebracht sein. Sie kann aber auch mittels eines Gitters oder dgl. gegen die Rückseite gedrückt werden. Das hat den Vorteil, dass die Flüssigkeit vollflächig mit der Rückseite in Kontakt kommt und somit besonders effizient Wärme abgeführt werden kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Schicht mit Keimen, insbesondere Sporen oder Samen, versehen. In diesem Fall wird das mit Keimen an seiner Rückseite versehene Photovoltaikmodul vorteilhafterweise in einer wasserdichten Verpackung geliefert. Sobald das Photovoltaikmodul mit Feuchtigkeit beaufschlagt wird, kann die poröse Schicht z. B. mit Pflanzen besiedelt werden.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird eine Anordnung zur Stromerzeugung vorgeschlagen, umfassend ein erfindungsgemäßes Photovoltaikmodul und einen Flüssigkeitsvorrat zur Versorgung der Schicht mit Flüssigkeit. Der Flüssigkeitsvorrat kann ein natürlich vorkommender Flüssigkeitsvorrat, beispielsweise ein Boden, ein poröses Gestein, ein Bachlauf oder dgl. sein.
Die vorgeschlagene Anordnung kann sich zur effizienten Erzeugung von Strom natürliche Gegebenheiten, beispielsweise sumpfige Wiesen, Bachläufe oder dgl. zu Nutze machen. Sie ist einfach herzustellen und effizient.
Vorteilhafterweise ist der Flüssigkeitsvorrat im Bereich einer Unterkante oder unterhalb der Unterkante des Photovoltaikmoduls angeordnet. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Flüssigkeitsvorrat einen Behälter, in dem die Flüssigkeit im Wesentlichen abgeschottet von Licht aufgenommen ist. Damit kann ein unerwünschtes Wachstum von Algen im Behälter vermieden werden. Falls der Flüssigkeitsvorrat Algen enthält, besteht das Risiko einer Verstopfung der Poren der porösen Schicht. Bei dem Behälter kann es sich insbesondere um eine Zisterne handel, welche als zentraler Flüssigkeitsvorrat zur Versorgung einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Photovoltaikmodulen dient.
Zweckmäßigerweise ist an einer Unterkante des Photovoltaikmoduls eine Regenrinne vorgesehen, welche mit dem Behälter verbunden ist. In diesem Fall kann von der Vorderseite des Photovoltaikmoduls abfließendes Regenwasser im Behälter gesammelt und zu einem späteren Zeitpunkt zur Kühlung des Photovoltaikmoduls verwendet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die poröse Schicht mittels eines saugfähigen Materials mit dem Flüssigkeitsvorrat so verbunden, dass im Flüssigkeitsvorrat aufgenommene Flüssigkeit durch Kapillarwirkung in die poröse Schicht transportiert wird. In einer besonders einfachen Ausgestaltung erstreckt sich die an der Rückseite angebrachte poröse Schicht über die Unterkante des Photovoltaikmoduls hinweg bis in den Behälter. Bei dem Behälter kann es sich beispielsweise um ein im Bereich der Unterkante angeordnetes Rohr handeln. Ein solches Rohr kann sich entlang einer Vielzahl nebeneinander angeordneter Photovoltaikmodule entlang deren Unterkanten erstrecken.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist eine, vorzugsweise mittels des Photovoltaikmoduls betriebene, Pumpe zum Transport der Flüssigkeit zur porösen Schicht vorgesehen. Insbesondere wenn die Pumpe mittels des Photovoltaikmoduls oder eines eigens dafür vorgesehenen weiteren Photovoltaikmoduls betrieben wird, wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass Flüssigkeit nur dann zur porösen Schicht transportiert wird, wenn die Sonne scheint und infolgedessen eine unerwünschte Erhöhung der Temperatur der Photovoltaikmodule zu erwarten ist.
Im Bereich einer der Unterkante gegenüberliegenden Oberkante des Photovoltaikmoduls kann eine über eine Leitung mit der Pumpe verbundene Flüssigkeitsverteilungseinrichtung vorgesehen sein. Es kann sich dabei um beispielsweise um einen Tropfschlauch oder einen porösen Schlauch handeln, mit dem die Flüssigkeit an die poröse Schicht abgegeben wird. In diesem Fall ist die Porosität der porösen Schicht so ausgebildet, dass die Flüssigkeit zumindest abschnittsweise von der Oberkante in Richtung der Unterkante fließt. D. h. in diesem Fall weist die poröse Schicht zumindest abschnittsweise keine nennenswerte Kapillarwirkung auf.
Die zumindest zeitweise mit Flüssigkeit beaufschlagte poröse Schicht bildet ein Substrat, welches in der Praxis je nach den herrschenden Umgebungsbedingungen zufällig von Lebewesen, beispielsweise Pflanzen, Pilzen, Bakterien oder Tieren, besiedelt wird. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung macht sich diesen Umstand zunutze. Vorteilhafterweise ist die poröse Schicht bereits vor der Installation mit Sporen oder Samen einer oder mehrerer vorgegebener Spezies versehen. Erst nach der Installation bildet sich durch Befeuchtung eine biologische Schicht auf der porösen Schicht aus. D. h. die poröse Schicht kann beispielsweise mit geeigneten Pflanzen, insbesondere Algen oder dgl., besiedelt sein, welche weiter Flüssigkeit speichern und eine Kühlung des Photovoltaikmoduls durch Erzeugung von Verdunstungskälte unterstützen. Indem von vornherein eine vorgegebene Spezies in der porösen Schicht angesiedelt wird, bildet sich durch den Bewuchs an der Rückseite eine vorgegebene Oberflächenstruktur und/oder Farbe aus. Es kann damit vorteilhafterweise ein reproduzierbares Design erreicht werden. Die Kühlwirkung der der bewachsenen Rückseite ist – im Gegensatz zur zufälligen Ansiedlung von Lebewesen – reproduzierbar.
Zweckmäßigerweise ist die Flüssigkeit im Wesentlichen aus Wasser gebildet. Der Flüssigkeit kann ein Nährstoff zur Ernährung der Lebewesen zugesetzt sein.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Anordnung zur Stromerzeugung,
2 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Anordnung zur Stromerzeugung,
3 eine schematische Schnittansicht mit Blockschaltbild einer dritten Anordnung zur Stromerzeugung und
4 eine schematische Schnittansicht mit Blockschaltbild einer vierten Anordnung zur Stromerzeugung.
In den Figuren ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Photovoltaikmodul bezeichnet, welches an seiner Vorderseite V mit (hier nicht näher gezeigten) photovoltaischen Elementen zur Umwandlung von Licht S in Strom versehen ist. Das photovoltaische Modul 1 kann semitransparent ausgebildet sein. An einer der Vorderseite V gegenüber liegenden Rückseite R ist eine poröse Schicht 2 mit einem offenporigen Porenraum aufgebracht. Die poröse Schicht 2 kann beispielsweise aus einem textilen Material, aus einer porösen Keramik, aus einem Glasfasergewebe, einem Glasfasergewirk oder dgl. hergestellt sein. Eine Porosität der porösen Schicht 2 ist bei den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen so eingestellt, dass durch Kapillarwirkung Wasser aus einem unterhalb einer Unterkante U des Photovoltaikmoduls 1 angeordneten Behälter 3 angesaugt und bis in den Bereich einer Oberkante O des Photovoltaikmoduls 1 transportiert wird.
In 1 ist mit dem Bezugszeichen 4 eine Regenrinne bezeichnet, welche unterhalb der Unterkannte U angeordnet ist. Die Regenrinne 4 ist mittels einer Leitung 5 mit dem Behälter 3 verbunden. Ferner ist die poröse Schicht 2 mittels einer saugfähigen Schicht 6 mit im Behälter 3 ausgenommenem Wasser 7 verbunden. Die saugfähige Schicht 6 kann auch aus der porösen Schicht 2 gebildet sein, d. h. die poröse Schicht 2 kann sich bis in den Behälter 3 erstrecken.
Bei der in 2 gezeigten zweiten Anordnung zur Erzeugung von Strom ist der Behälter 3 weggelassen. Hier übernimmt die Funktion des Behälters 3 die Regenrinne 4.
Bei den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen ist die poröse Schicht 2 mit einer biologischen Schicht 8 besiedelt. Es handelt dabei um eine aus einer vorgegebenen Spezies gebildete biologische Schicht 8. Zu diesem Zweck kann die poröse Schicht 2 mit Keimen 9 versehen sein. Die biologische Schicht 8 sowie die Keime 9 sind optional, d. h. sie können auch weggelassen werden.
Die Funktion der in den 1 und 2 gezeigten Anordnungen ist wie folgt:
Auf die Vorderseite V der schräg gestellten Photovoltaikmodule 1 auftreffendes Regenwasser wird in die Regenrinne 4 abgeführt. Es wird von da aus einem Behälter 3, beispielsweise einer Zisterne oder dgl., zugeführt. Es kann dort im Wesentlichen abgeschottet von Licht gespeichert werden. Bei der in 2 gezeigten zweiten Anordnung wird das Regenwasser mittels der Regenrinne 4 aufgefangen und dort gespeichert.
Durch Kapillarwirkung saugt die poröse Schicht 2, ggf. unter Zwischenschaltung der saugfähigen Schicht 6, Regenwasser bzw. Wasser 7 aus dem Behälter 3 bzw. der Regenrinne 4, so dass die poröse Schicht 2 stets feucht ist.
Im Falle einer Einstrahlung von Licht S auf die Vorderseite V wird auch die Rückseite R erwärmt. Es kommt zu einer Verdunstung des in der porösen Schicht 2 enthaltenen Wassers 7. Dabei entstehende Verdunstungskälte kühlt das Photovoltaikmodul 1. Infolgedessen kann der Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung verbessert werden.
Eine ggf. auf der porösen Schicht 2 aufgebrachte biologische Schicht 8 kann dazu beitragen, ein Mikroklima zu erzeugen. Ein solches Mikroklima kann den kühlenden Effekt der porösen Schicht 2 ergänzen und/oder stabilisieren.
Bei der in 3 gezeigten dritten Anordnung ist der Behälter 3 innerhalb eines Bodens B vorgesehen. In eine vom Behälter 3 zu einer mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneten Flüssigkeitsverteilungseinrichtung an der Oberkante O des Photovoltaikmoduls 1 führende weitere Leitung 11 ist eine Pumpe 12 eingeschaltet. Bei der Pumpe 12 kann es sich um eine mit dem Photovoltaikmodul 1 betriebene Pumpe 12 handeln. Die Flüssigkeitsverteilungseinrichtung 10 ist über eine flüssigkeitsleitende Schicht 13 mit der porösen Schicht 2 verbunden.
Die Funktion der dritten Anordnung ist wie folgt:
Von der Regenrinne 4 aufgefangenes Regenwasser wird über die Leitung 5 dem Behälter 3 zugeführt. Im Falle einer Einstrahlung von Licht S auf das Photovoltaikmodul 1 arbeitet die Pumpe 12 und fördert Wasser 7 zur Flüssigkeitsverteilungseinrichtung 10. Es kann sich dabei beispielsweise um einen Tropfschlauch oder dgl. handeln, welcher das Wasser 7 über die flüssigkeitsleitende Schicht 13 an die poröse Schicht 2 leitet. Die poröse Schicht 2 kann auch in unmittelbarem Kontakt mit der Flüssigkeitsverteilungseinrichtung 10 sein. In diesem Fall ist die Porosität der porösen Schicht 2 so gewählt, dass die Flüssigkeit in Richtung der Unterkante U des Photovoltaikmoduls 1 fließt. Auch bei der dritten Anordnung kann optional eine biologische Schicht 8 vorgesehen sein.
4 zeigt eine vierte Anordnung. Die vierte Anordnung ist ähnlich ausgebildet wie die dritte Anordnung. Hier ist das in den 1 bis 3 der Klarheit halber weggelassene Gestell zur schräg gestellten Aufnahme des Photovoltaikmoduls 1 mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet. Von der weiteren Leitung 11 zweigt ein Leitungsast 15 ab. Mit dem Leitungsast 15 wird ein Bereich unterhalb des Photovoltaikmoduls 1 bewässert. Infolgedessen können dort Kletterpflanzen 16 angesiedelt werden, welche die biologische Schicht 8 ergänzen oder ersetzen. Derartige Kletterpflanzen 16 bewirken in vorteilhafter Weise die Ausbildung eines Mikroklimas, welches eine Kühlung der Rückseite R und damit des Photovoltaikmoduls 1 bewirkt.
Bezugszeichenliste

1: Photovoltaikmodul
2: poröse Schicht
3: Behälter
4: Regenrinne
5: Leitung
6: saugfähige Schicht
7: Wasser
8: biologische Schicht
9: Keim
10: Flüssigkeitsverteilungseinrichtung
11: weitere Leitung
12: Pumpe
13: flüssigkeitsleitende Schicht
14: Gestell
15: Leitungsast
16: Kletterpflanze
V: Vorderseite
U: Unterkante
R: Rückseite
O: Oberkante
S: Licht
B: Boden

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Photon international – The Photovoltaik Magazin – 6/2008, A complicated hybrid, Seiten 158–166 [0003]

Claims

Photovoltaikmodul (1) mit an dessen Vorderseite (V) vorgesehenen photovoltaischen Elementen zur Umwandlung von Licht (S) in Strom, wobei an einer der Vorderseite (V) gegenüberliegenden Rückseite (R) eine offenporige Schicht aufgebracht ist.
Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, wobei eine Porosität der Schicht (2) so gewählt ist, dass darin die Flüssigkeit (7) durch Kapillarwirkung von einem unteren Rand (U) der Rückseite (R) bis zu deren oberen Rand (O) transportiert wird.
Photovoltaikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht aus einem, vorzugsweise aus einem Polymer hergestellten, Textil gebildet ist.
Photovoltaikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht (2) mit Keimen zumindest einer vorgegebenen Spezies versehen ist.
Anordnung zur Stromerzeugung, umfassend ein Photovoltaikmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einen Flüssigkeitsvorrat (7) zur Versorgung der Schicht (2) mit Flüssigkeit.
Anordnung nach Anspruch 5, wobei der Flüssigkeitsvorrat im Bereich einer Unterkante (U) oder unterhalb der Unterkante (U) des Photovoltaikmoduls (1) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der Flüssigkeitsvorrat einen Behälter (3) umfasst, in dem die Flüssigkeit im Wesentlichen abgeschottet von Licht (S) aufgenommen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei an der Unterkante (U) des Photovoltaikmoduls (1) eine Regenrinne (4) vorgesehen ist, welche vorteilhafterweise mit dem Behälter (3) verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die poröse Schicht (2) mittels eines saugfähigen (6) Materials mit dem Flüssigkeitsvorrat so verbunden ist, dass im Flüssigkeitsvorrat aufgenommene Flüssigkeit (7) durch Kapillarwirkung in die poröse Schicht (2) transportiert wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei eine, vorzugsweise mittels des Photovoltaikmoduls (1) betriebene, Pumpe (12) zum Transport der Flüssigkeit (7) zur porösen Schicht (2) vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei im Bereich einer der Unterkante (U) gegenüberliegenden Oberkante (O) des Photovoltaikmoduls (1) eine über eine Leitung (11) mit der Pumpe (12) verbundene Flüssigkeitsverteilungseinrichtung (10) vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei eine freie Oberfläche der porösen Schicht (2) mit Lebewesen (8) zumindest einer vorgegebenen Spezies besiedelt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, wobei die Flüssigkeit (7) im Wesentlichen aus Wasser gebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, wobei der Flüssigkeit ein Nährstoff zur Ernährung der Lebewesen (8) zugesetzt ist.