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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf ein Verfahren zur Temperatursteuerung von gestapelten Photovoltaikzellen und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen einer elektrischen Degradation von Solarzellen.
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Hintergrund
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Silizium-Solarzellen können mit steigender Zelltemperatur und steigendem Ladungsträger-Injektionsniveau degradieren. Dies erfolgt beispielsweise unter Bedingungen, bei welchen Photovoltaikanlagen typischerweise betrieben werden, d.h. bei Temperaturen von unterhalb von 80°C und eine Beleuchtung von bis zu einer Sonne. Die Degradation der Photovoltaikzellen zeigt sich in einem Abfall des Wirkungsgrades, was sich oftmals bereits zu Beginn des Betriebes einstellt. Die erfolgte Degradation kann in einem bestimmten Rahmen mittels eines Regenerationsprozesses wieder rückgängig gemacht werden, jedoch stellt dies einen erhöhten Aufwand dar. Der Effekt, der zu der Degradation führt, ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht ausreichend verstanden, um geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen.
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Von daher besteht ein Bedarf die Degradation für Photovoltaikmodule zu erfassen, wobei die folgenden Ziele verfolgt werden. Die Solarzellen sollen einen bestimmten Degradationszyklus bei einem vorgegebenen Injektionsniveau und einer bestimmten Temperatur durchlaufen, wobei beide Parameter während des Prozesses konstant gehalten werden oder auch variiert werden können. Das Resultat kann beispielsweise für die Qualitätskontrolle verwendet werden. Außerdem soll das Degradationsverhalten (oder der zeitliche Degradationsverlauf) jeder einzelnen Zelle untersucht werden, wobei auch hier die Temperatur konstant gehalten bzw. variiert werden kann.
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Bei konventionellen Anlagen werden zur Temperaturregelung von einzelnen Photovoltaikzellen beispielsweise Heizplatten oder Metallauflagen genutzt, oder die Module werden in eine Klimakammer gebracht. Derartige Systeme zur Temperaturregelung von Photovoltaikzellen sind in der
DE 10 2011 051 112 A1 und in der
DE 10 2012 022 825 A1 beschrieben.
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Diese Systeme weisen die folgenden Probleme auf. Zunächst ist eine große Anzahl/Fläche von Heizplatten erforderlich oder es muss eine großflächige homogene Beleuchtung zur Beheizung durchgeführt werden. Die konventionellen Verfahren zur Untersuchung ganzer Module ist nachteilig, da zunächst ein Modul gebaut werden muss und die Messwerte entweder nur für das eine Modul gelten (Mittelwert aus beispielsweise 60 Zellen) oder aber spezielle Module gebaut werden müssen. Außerdem ist eine Klimakammer erforderlich ist, wo je nach Ausführung ein signifikantes Temperaturgefälle von oben nach unten oder in anderen Richtungen herrscht. Dadurch entsteht, je nach Modulstapelung (ob horizontal oder vertikal), ein Gradient innerhalb der Module bzw. von Modul zu Modul.
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Häufig ist es wünschenswert, Degradationsverläufe für jede einzelne Zelle aufzunehmen, wozu eine Kontaktierung jeder einzelnen Zelle erforderlich ist. Dies erfordert wiederum bei flächigen Anordnungen eine sehr aufwendige Verdrahtung und Kontaktierung. Bei den Zellen muss außerdem ein Kontakt an der Zellunterseite angebracht werden (beispielsweise durch ein Verlöten), was ohne weitere Maßnahmen zu einer Beabstandung der Zellen von der Heizplatte führt, sodass kein optimaler thermischer Kontakt vorhanden ist. Bei den Modulen muss außerdem an jeder Zelle ein Kontakt aus dem Modul hinausgeführt werden.
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Ein weiteres Problem der konventionellen Systeme besteht darin, dass der thermische Kontakt zu den Heizplatten bei gewölbten Zellen zu falschen Zelltemperaturen führt. Alternativ müsste eine Vakuumansaugung in der Heizplatte installiert sein, was wiederum einen erhöhten Aufwand erfordert.
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Ein weiteres konventionelles System ist beispielsweise in der
DE 10 2009 059 300 A1 beschrieben, bei dem ein Photovoltaikzellentransportbehälter Elektroden aufweist, um eine elektrische Spannung an die Photovoltaikzellen zu legen. Damit können die elektrisch gekoppelten Photovoltaikzellen durch eine Bestromung aufgeheizt werden, was in diesem Dokument genutzt wird, um einen Regenerationsprozess in Gang zu setzen. In der
DE 10 2006 012 920 B3 ist weiter ein Verfahren zur Herstellung von Photovoltaikelementen mit stabilisiertem Wirkungsquerschnitt offenbart, bei welchem die Temperatur während des Herstellungsprozesses innerhalb bestimmter Temperaturgrenzen gehalten wird, und zwar durch Anlegen einer entsprechenden Spannung, die zu einer Bestromung führt.
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Allerdings ist bei diesen Systemen die Bestromung einzelner Zellen umständlich oder nur mit zusätzlichem Aufwand umsetzbar. Gleiches trifft für die Temperatursteuerung zu, die schlecht kontrollierbar ist und keine homogene Temperaturverteilung liefert. Insbesondere bei gestapelte Photovoltaikzellen kann es zu einer überdurchschnittlichen Erhitzung im Innern kommen, während die Randbereiche relativ kühl bleiben.
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Aus den genannten Gründen sind die konventionellen Verfahren für eine gezielte Degradation aufwendig, fehleranfällig und teuer.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die die genannten Nachteile vermeiden und die es insbesondere erlauben, die Degradation und deren Verlauf gezielt zu messen und zu untersuchen.
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Zusammenfassung
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Die vorliegende Erfindung löst die oben genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Temperatursteuerung von gestapelten Photovoltaikzellen nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Temperatursteuerung nach Anspruch 15. Die Ansprüche 2 bis 14 beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung nach Anspruch 1.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass eine große Anzahl von Solarzellen gleichzeitig einer Degradation unterworfen werden können, wenn die Bestromung der Solarzellen innerhalb eines Degradations- und Messplatzes genutzt wird, um die Zellen gezielt zu erwärmen, wobei gleichzeitig die erzeugte Abwärme gesteuert abgeleitet wird, sodass eine gleichmäßige Erwärmung der Photovoltaikzellen ermöglicht wird.
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Um dies zu erreichen, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Temperatursteuerung von gestapelten Photovoltaikzellen: einen Aufnahmebereich für die gestapelten Photovoltaikzellen; einen ersten und einen zweiten Stromanschluss zum Anschließen der gestapelten Photovoltaikzellen an eine externe Stromversorgung, um einen Stromfluss durch die gestapelten Photovoltaikzellen bereitzustellen; und eine Temperaturregeleinheit, die ausgebildet ist, um einen Kühlmittelfluss durch den Aufnahmebereich zu bewirken, so dass eine Temperatur der gestapelten Photovoltaikzellen in dem Aufnahmebereich steuerbar ist. Die Zelltemperatur kann beispielsweise durch eine Kühlung mittels Luft als Kühlmittel geregelt werden.
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Bei weiteren Ausführungsformen werden die Zellen im Stapel entlang der Stromführungsschienen (sogenannte Busbars) durch leitfähige Abstandshalter oder Modulquerverbinder voneinander beabstandet. Dadurch können die Zellen in Richtung der Busbars mittels Luft ganzflächig gekühlt und gleichzeitig die verschiedenen Stapelschichten elektrisch miteinander kontaktiert werden.
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Ferner ist es möglich, über Temperaturfühler die Zelltemperatur zu erfassen, wobei die Temperaturfühler sich beispielsweise zwischen den Zellen und den Querverbindern befinden. Hierdurch wird eine genaue Zelltemperaturermittlung möglich.
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Während der Bestromung der Photovoltaikzellen kann außerdem an jeder Zelle einzeln oder an Gruppen von Zellen der Spannungsabfall gemessen werden und entsprechend gespeichert werden. Es ist ebenfalls möglich über eine gezielte Temperatursteuerung und/oder eine Strom- bzw. Spannungssteuerung entsprechende Profile zu fahren. Somit wird es möglich, die Photovoltaikzellen einem zeitabhängigen Temperatureinfluss auszusetzen und gleichzeitig die entsprechenden Spannungsabfälle an den einzelnen Zellen zu messen. Somit kann der Degradationsverlauf für jede einzelne Zelle erfasst werden, wobei die Stromstärke und somit die Temperatur kann konstant gehalten oder variiert werden kann.
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Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen somit insbesondere in dem wesentlich geringeren Aufwand, der erforderlich ist, um eine hohe Anzahl von Solarzellen unter den gewünschten Bedingungen zu degradieren, und zwar ohne dass ein Temperaturgradient erhalten wird. Dies führt zu einem beachtlichen Kosteneinsparpotential. Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren platzsparend und kann vergleichsweise schnell umgesetzt werden. Selbst umfangreiche Datenmengen können einfach erfasst und gespeichert werden. Die Kontaktierung der Zellen ist einfach und vergleichsweise schnell möglich. Die Zellen können nach der Messung weiter verwendet werden.
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Die Erfindung bietet somit Vorteile, die mit den oben genannten konventionellen Mitteln nicht erreichbar sind. Ein besonderer Nutzen von Ausführungsbeispielen liegt darin, dass eine zeitnahe und günstige Kapazitätserweiterung zum Degradieren möglich ist. Große Stückzahlen können zum weiteren Verständnis des Degradationsmechanismus untersucht werden und Degradationsprofile können erfasst werden. Somit sind Qualitätskontrollen von Wafermaterialien und Zellprozessen in der Produktion und/oder zur Qualitätsüberwachung möglich.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden von der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränkt, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Temperatursteuerung.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung mit weiteren optionalen Komponenten.
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3 zeigt die Vorrichtung der 2 in einer Querschnittsebene senkrecht zu einem beispielhaften Luftstrom.
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4 zeigt weitere Details eines Abstandshalters, der zwischen Photovoltaikzellen in dem Stapel von Photovoltaikzellen eingesetzt wird.
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5 zeigt weitere Details von vorteilhaften Weiterbildungen.
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6 zeigt mögliche Ausgestaltungen des Aufnahmebereichs der Vorrichtung.
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7 zeigt ein Flussdiagram für ein Verfahren zur Temperatursteuerung.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Temperatursteuerung, die folgenden Merkmale umfasst: einen Aufnahmebereich 110 für die gestapelten Photovoltaikzellen 50; einen ersten und einen zweiten Stromanschluss 121, 122 zum Anschließen der gestapelten Photovoltaikzellen 50 an eine externe Stromversorgung (nicht gezeigt), um einen Stromfluss durch die gestapelten Photovoltaikzellen 50 bereitzustellen. Die Vorrichtung weist weiter eine Temperaturregeleinheit 130 auf, die ausgebildet ist, um einen Kühlmittelfluss F durch den Aufnahmebereich 110 zu bewirken, so dass eine Temperatur der gestapelten Photovoltaikzellen 50 in dem Aufnahmebereich 110 steuerbar ist.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung mit weiteren optionalen Komponenten. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Temperaturregeleinheit 130 ein Gebläse 131 und eine Zusatzheizung 132, die derart angeordnet sind, dass das Gebläse 131 einen Luftstrom F bewirkt, der sich beispielsweise von der Zusatzheizung 132 hin zu dem Gebläse 131 bewegt (oder auch umgekehrt). Die Zusatzheizung 132 weist Kontakte 133 auf, an denen eine elektrische Spannung anlegbar ist, so dass die Heizleistung der Zusatzheizung 132 regelbar ist (z.B. unter Nutzung einer Steuereinheit).
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Somit kann die Zusatzheizung 132 dazu genutzt werden, um den Luftstrom F aufzuheizen, bevor die Luft durch die gestapelten Photovoltaikzellen 50 strömt. Außerdem sind in dem Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Abstandshaltern 60 gezeigt, die jeweils zwischen zwei benachbarten Photovoltaikzellen 51, 52 aus dem Stapel 50 von Photovoltaikzellen angeordnet sind. Die Abstandshalter 60 sind ausgebildet, um die Photovoltaikzellen 50 derart zu beabstanden, dass sich Zwischenräume ergeben, entlang derer der Luftstrom F als Kühlstrom fließen kann.
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Außerdem zeigt das Ausführungsbeispiel der 2 eine Isolation 210, die senkrecht zu dem Luftstrom F in einem Randbereich der Vorrichtung ausgebildet ist. Damit wird erreicht, dass die Photovoltaikzellen, die sich an dem Randbereich befinden, thermisch von der Umgebung isoliert sind und sich durch eine niedrigere Umgebungstemperatur nicht so stark abkühlen. Somit weisen die gestapelten Photovoltaikzellen ein gleichmäßiges Temperaturprofil ebenfalls senkrecht zur Luftstromrichtung F auf.
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Es ist ebenfalls möglich, dass in dem Randbereich (benachbart zu der Isolation 210) weitere Photovoltaikzellen 53, 54 vorhanden sind, ohne dass zwischen diesen weiteren Photovoltaikzellen 53, 54 Abstandshalter 60 angeordnet sind. Dies bietet den Vorteil, dass die weiteren Photovoltaikzellen 53, 54 als Wärmespiegel wirken (schirmen eine deutlich kältere Umgebung ab), die die Homogenität der Temperaturverteilung, insbesondere bei nicht-idealer Isolation, zum Randbereich hin verbessern. Bei sehr guter Isolation braucht man diese weiteren Photovoltaikzellen 54, 54 jedoch nicht.
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Optional ist es ebenfalls möglich, dass die Photovoltaikzellen zusammen mit den Abstandshalter in dem Stapel nur lose übereinander gelegt/gestapelt werden, ohne dass sie fest miteinander verbunden werden und nur durch den äußeren Rahmen des Aufnahmebereiches lateral ausgerichtet werden. Um trotzdem einen ausreichenden elektrischen Kontakt zwischen den Photovoltaikzellen 50 und den Abstandshaltern 60 sicher zu stellen, kann eine Beschwerung mit einem Gewicht erfolgen (z.B. zwischen 15 kg und 30 kg). Somit können die Zellen schnell untersucht werden und es brauchen keine Änderungen vorgenommen zu werden, so dass die Zellen im Anschluss gleich nutzbar sind.
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Alternativ ist es ebenfalls möglich, die durch das Gebläse 131 herausgeleitete Luft zumindest teilweise über einen Rückkanal wieder zu dem Einlass des Luftstromes F bei der Zusatzheizung 132 zurück zu führen. In diesem Fall, wird keine oder wenig kalte Luft in den Stapel von Photovoltaikzellen eingeleitet, sondern bereits eine vorgeheizte Luft. Somit kann entlang der Strömungsrichtung des Luftstromes F sich ein gleichmäßiges Temperaturprofil in den Photovoltaikzellen 50 einstellen.
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Die 3 zeigt die Vorrichtung der 2 in einer Querschnittsebene senkrecht zu dem Luftstrom F, d.h. die Richtung des Luftstroms F ist in der 3 senkrecht zur Zeichenebene. Wie aus der 3 ersichtlich ist, kann die Isolation 210 an allen Seiten senkrecht zum Luftstrom F ausgebildet sein, d.h. die Isolation 210 umfasst eine erste Isolation 211, eine zweite Isolation 212, die an gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind, und außerdem eine dritte Isolation 213 und eine vierte Isolation 214, die ebenfalls auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Stapels von Photovoltaikzellen 50 angeordnet sind. Die Abstandshalter 60 sind wiederum zwischen jeweils zwei benachbarten Photovoltaikzellen 51, 52 angeordnet und zwischen zwei Abstandshalter 60 innerhalb einer Ebene ergibt sich ein Hohlraum 70, durch welchen der Luftstrom F fließen kann.
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Die 4 zeigt weitere Details eines Abstandshalters 60, der ebenfalls als Querverbinder dienen kann, um benachbarte Photovoltaikzellen 51, 52 elektrisch zu kontaktieren. An den Enden der elektrisch leitfähigen Abstandshalters 60 ist jeweils eine Isolation 63 ausgebildet, die einen Zwischenabschnitt 61 freilässt, der zur elektrischen Kontaktierung der gegenüberliegenden Photovoltaikzellen 51, 52 genutzt wird. Somit kann ein elektrischer Fluss, der an einer oberen oder unteren Seite des Stapels eingeleitet wird, über die Abstandshalter 60 durch alle Photovoltaikzellen 50 in dem Stapel hindurch fließen.
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5 zeigt Details von weiteren vorteilhaften Weiterbildungen.
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Im Ausführungsbeispiel der 5 ist ein erster Temperatursensor 151 und ein zweiter Temperatursensor 152 zwischen oder innerhalb des Stapels von Photovoltaikzellen 50 angeordnet, wobei die Temperatursensoren entlang der Flussrichtung F versetzt zueinander angeordnet sein können. Optional können auch noch weitere Temperatursensoren vorhanden sein, beispielsweise in verschiedenen Schichtebenen. Außerdem ist wiederum eine Isolation 210 oberhalb und unterhalb des Stapels von Photovoltaikzellen 50 ausgebildet.
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Die Photovoltaikzellen 50 werden durch den ersten Kontakt 121 und den zweiten Kontakt 122 elektrisch kontaktiert und an einer Spannungsquelle 300 angeschlossen, wobei zwischen der Spannungsquelle 300 und dem ersten Anschluss 121 beispielsweise ein Schalter 114 ausgebildet ist, der gezielt die Bestromung (mit dem Strom I_const) steuern kann.
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In dem Ausführungsbeispiel der 5 ist ebenfalls das Gebläse 131 und die Zusatzheizung 132 als Teil der Temperaturregeleinheit 130 ausgebildet. Das Gebläse 131 wird über Steuerleitungen 201, 202 an eine Steuereinheit 140 gekoppelt und ist ebenfalls an eine separate Spannungsversorgung 350 gekoppelt.
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Die Steuereinheit 140 weist einen Mikrokontroller 141, eine Speichereinheit 142 (beispielsweise mit einem RTC, einer SD-Karte und/oder einer Ausgabe 143), einen Display 144 und eine Steuerung für die Zusatzheizung (z.B. einen Spannungskontroller) 145 auf. Der Spannungskontroller 145 ist über die Zuführungsleitungen 133 mit der Zusatzheizung 132 verbunden, um die Heizleistung zu steuern. Der Mikrokontroller 141 ist ausgebildet, um durch ein Betätigen eines Schalters 134 die Zusatzheizung 132 anzuschalten oder auszuschalten. Außerdem ist der Mikrokontroller 141 über eine Sensorleitung 203 und einem ersten Operationsverstärker 351 mit dem ersten Temperatursensor 151 verbunden, um Temperaturdaten von dem ersten Temperatursensor 151 zu empfangen. Ebenso ist der Mikrokontroller 141 über Sensorleitungen 204 und einem zweiten Operationsverstärker 352 mit dem zweiten Temperatursensor 152 verbunden, um von diesem Temperaturdaten zu erfassen. Der erste und der zweite Operationsverstärker 351, 352 sind beispielsweise ausgebildet, um die Sensordaten von dem ersten Temperatursensor 151 und von dem zweiten Temperatursensor 152 zu verstärken und anschließend die verstärkten Signale über die Signalleitung 203, 204 an den Mikrokontroller 141 der Steuereinheit 140 zu übermitteln.
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Zur Steuerung des Gebläses 131 wird beispielsweise über die erste Steuerleitung 201 ein pulsbreiten moduliertes Signal von der Mikrocontroller 141 an das Gebläse 131 geschickt, um die Drehgeschwindigkeit oder die Drehdauer des Gebläses 131 zu steuern. Über die zweite Sensorleitung 202 kann eine Rückkopplung erfolgen, beispielweise durch ein Signal, welches von der Umdrehungszahl des Gebläses 131 abhängt und an den Mikrokontroller 141 zurück gesandt wird.
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Außerdem weist das Ausführungsbeispiel der 5 eine Signalerfassungseinheit 310 auf. Die Signalerfassungseinheit 310 ist über Signalleitungen 314 mit den einzelnen Photovoltaikzellen verbunden, so dass ein Spannungsabfall über einzelne oder mehrere Photovoltaikzellen innerhalb des Stapels von Photovoltaikzellen 50 erfassbar ist. Zur Kontaktierung können beispielsweise die Endstücke 63 der elektrisch leitfähigen Abstandshalter 60 genutzt werden, die dazu beispielsweise seitlich aus dem Stapel 50 herausragen. In den Endstücken 63 können beispielsweise Durchkontaktierungen vorhanden sein, um die elektrisch leitfähigen Querverbinder 61 (siehe 4) mit den Signalleitungen 314 zu kontaktieren.
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Die Erfassung der Daten kann beispielsweise wie folgt vorgenommen werden. Die Signalerfassungseinheit 310 weist eine Vielzahl von Schaltern 312 auf, die beispielsweise jeweils zwei Abstandshalter 60 auswählt, zwischen denen eine oder mehrere zu erfassende Photovoltaikzelle(n) vorhanden ist/sind und deren Spannungsabfall gemessen werden soll. Über Signalleitungen 401 kann der Spannungsabfall zur Auswertung an den Mikrocontroller 141 übertragen werden. Um nacheinander ein Vielzahl von Photovoltaikzellen zu messen, weist die Signalerfassungseinheit 310 dafür einen Multiplexer 311 auf. Der Multiplexer 311 kann nacheinander eine Vielzahl von benachbarten oder von beliebigen Paaren von Photovoltaikzellen auswählen, um so den Spannungsabfall über den ausgewählten Zellen zu messen. Der Multiplexer 311 ist über Steuerleitungen 313 mit dem Mikrokontroller 141 verbunden, so dass der Mikrokontroller 141 die erfassten Spannungsabfälle über gewünschte Photovoltaikzellen bestimmen kann.
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Außerdem kann die Steuereinheit 140 basierend auf den erfassten Temperaturdaten und den Spannungsabfällen über den einzelnen Photovoltaikzellen eine Steuerung folgender Einheiten vornehmen: des Gebläses 131 (beispielsweise über das PWM-Signal) und/oder der Zusatzheizung 132 (durch eine Steuerung des Schalters 134) und/oder der Spannungsversorgung 300 (über den Schalter 114). Somit kann der Stapel von Photovoltaikzellen 50 gezielt durch eine Bestromung aufgeheizt und ein konstanter und homogener Temperaturverlauf innerhalb des Stapels sichergestellt und gleichzeitig die Degradation aus den erfassten Spannungsabfällen ermittelt werden.
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In Abhängigkeit von der Anzahl der Photovoltaikzellen in dem Stapel 50 von Photovoltaikzellen, können mehrere Multiplexer nacheinander geschaltet werden. In dem Beispiel der 5 sind beispielsweise 7 × 8 (d.h. 56) Schalter vorhanden. Die anderen Photovoltaikzellen, deren Spannungsabfall nicht erfasst wird, können weiter vom Strom durchflossen werden.
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Große Temperaturgradienten entlang der Strömungsrichtung F zwischen einem Kühllufteintritt und einem Kühlluftaustritt der beispielhaften Luftkühlung können dadurch vermieden werden, dass die Strömungsrichtung des Luftstromes F umgedreht wird, so dass der Luftstrom sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt. In diesem Fall drückt das Gebläse 131 die Luft in den Stapel 50. Außerdem ist es wiederum möglich, die Kühlluft entsprechend vorzuheizen, so dass beim Lufteintritt keine zu starke Abkühlung erfolgt. Schließlich ist es ebenfalls möglich, den Zellabstand derart zu wählen dass ausreichend Kühlluft vorhanden ist, um eine effiziente Kühlung zu erreichen.
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Die 6A–F zeigen mögliche Ausgestaltungen des Aufnahmebereichs 110 der Vorrichtung. In der 6A ist der Aufnahmebereich 110 in einer Querschnittsrichtung senkrecht zur Luftströmungsrichtung F gezeigt. Die 6B und 6F zeigen Raumansichten von verschiedenen Blickwinkeln des Aufnahmebereichs 110. Die 6C und 6D zeigen den Aufnahmebereich 110, wobei die Luftströmungsrichtung in einer vertikalen Richtung liegt. Die 6E zeigt die Ansicht, wobei die Luftströmungsrichtung F in einer horizontalen Richtung liegt.
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7 zeigt ein Flussdiagram für ein Verfahren zur Temperatursteuerung. Das Verfahrung umfasst die folgenden Schritte: Anordnen S110 der gestapelten Photovoltaikzellen 50 in einem Aufnahmebereich 110; Anschließen S120 der gestapelten Photovoltaikzellen 50 an eine externe Stromversorgung 300, um einen Stromfluss I durch die gestapelten Photovoltaikzellen 50 bereitzustellen; und Ändern S130 der Temperatur der gestapelten Photovoltaikzellen 50 über einen Kühlmittelfluss F durch die gestapelten Photovoltaikzellen 50 in dem Aufnahmebereich 110, um so die Temperatur der gestapelten Photovoltaikzellen 50 in dem Aufnahmebereich 110 zu steuern.
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Die vorherige Beschreibung bezog sich zwar weitestgehend auf gestapelten Photovoltaikzellen. Es versteht sich jedoch, dass die beschriebenen Ausführungen ganz analog anwendbar sind auf gestapelte Photovoltaikmodule. Auch diese Ausführungsformen sollen Teil der Erfindung sein.
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Wesentliche Aspekte der vorliegenden Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden.
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Die für die Art der Degradation nötige Injektion wird durch eine Bestromung der Photovoltaikzellen erreicht. Dies bietet den Vorteil, dass die Degradation zu Testzwecken (beispielsweise für eine regelmäßige Qualitätsuntersuchung) auch im Haus durchgeführt werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden komplett gefertigte Solarzellen (beispielsweise mit einer Metallisierung) übereinander gestapelt und bestromt, um ein gewünschtes Injektionsniveau zu erreichen. Dadurch wird für jede Zelle eine elektrische Energie mit der Leistung P = I·U in Wärme umgewandelt, wobei I der Strom ist, der durch die Zellen fließt, und U die Spannung ist, die über jede Zelle abfällt.
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Zwischen den Zellen befinden sich entlang der Busbars elektrisch leitfähige Abstandshalter (beispielsweise Modulquerverbinder). Hierdurch wird es möglich, die Zelltemperatur mittels eines Kühl-Luftstromes zwischen den Zellen in Richtung der Längserstreckung der Abstandshalter zu regeln. Beidseitig sowie nach oben und unten ist der Zellstapel thermisch (und elektrisch) isoliert (d.h. entlang alle Richtungen, die sich senkrecht zu dem Luftstrom erstrecken). Dadurch wird gewährleistet, dass sich in den Richtungen orthogonal zur Kühlluft kein oder nur ein kleiner Temperaturgradient einstellt. Der typische Gradient zwischen einströmende und ausströmende Luft liegt bei ca. 4 Kelvin, bei einer Stromstärke von ca. 2 Ampere, 75°C Zelltemperatur, 25°C Raumtemperatur und bei einem Zellabstand von ca. 0,3 mm.
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Die Kühlleistung kann mit dem Kühlluftstromvolumen und der Temperaturdifferenz zwischen den Zellen und der Umgebungsluft und auch mit dem Zellabstand variiert werden. Typische Zellabstände sind 0,2 bis 1 mm. Der Abstand kann jedoch auch darüber liegen und beispielsweise 2 oder auch 3 mm betragen. Der Abstand kann so gewählt werden, dass mit einer gegebenen Temperaturregeleinheit eine gewünschte Temperatur erreicht wird. Typische Stromstärken entsprechen dem Kurzschlussstrom Jsc oder geringeren Strömen. Bei höheren Stromstärken entstehen Spannungsabfälle in den Metallisierungen senkrecht zu den Busbars, die zu einer inhomogenen Bestromung und Degradation führen können. Sollen höhere Stromstärken eingesetzt werden, sind weitere Beabstandungen parallel zu den Busbars einzuführen.
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Um einen guten Kontakt zwischen den Zellen und den Beabstandungen zu erreichen, kann beispielsweise ein Druck auf den Zellstapel ausgeübt werden, beispielsweise mittels eines Gewichtes (z.B. zwischen 5 und 30 kg oder ungefähr 20 kg).
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen ebenfalls einen mechanischen Aufbau, um die gestapelten Photovoltaikzellen zu stapeln. Die Temperatur wird an einer oder mehreren Positionen im Zellstapel gemessen, wobei in der Steuereinrichtung die gemessene Temperatur mit einem Sollwert verglichen wird und der Kühlluftvolumenstrom geregelt wird. Die Orientierung des Kühlluftstromes kann während der Behandlung mehrfach geändert werden, um einen Temperaturgradienten zwischen Lufteinlass und Luftauslass klein bzw. unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes zu halten.
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Die angesaugte Kühlluft kann ebenfalls aktiv vorgekühlt werden (beispielsweise durch ein Peltier-Element), oder auch aktiv vorgewärmt werden (beispielsweise durch ein Heizdraht oder ebenfalls ein Peltier-Element). Dies kann die Aufheizphasen und Abkühlphasen beschleunigen oder den Temperaturgradienten zwischen Lufteinlass und Luftauslass in einer gewünschten Weise beeinflussen. Um die Kühlluft vorzuwärmen, kann zumindest ein Teil der Abluft als Kühlluft eingesetzt werden.
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Messwerte, die erfasst wurden, können gespeichert werden und umfassen beispielsweise Zelltemperaturen, Zellspannungen, Zellströme aber auch gegebenenfalls deren statischen Mittelwerte bzw. Umgebungstemperaturen oder Lüfterdrehzahlen usw.
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Die Vorrichtung oder das Steuergerät kann ferner über eine Eingabemöglichkeit und Ausgabemöglichkeit wie beispielsweise einen Display, eine Tastatur, einen Speicher oder einen Netzzugang oder andere Mittel verfügen, so dass ein Nutzer entsprechende Einstellungen vornehmen kann und Daten erfassen kann.
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Anstelle von konstanter Bestromung und der Wahl einer konstanten Temperatur können ebenfalls Profile durchfahren werden, beispielsweise zur Simulation von Outdoor-Bedingungen.
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Die Einrichtung umfasst ebenfalls eine Sicherheitseinrichtung zur Abschaltung der Bestromung bei Übertemperatur oder Ausfall der Kühlung.
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Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011051112 A1 [0004]
- DE 102012022825 A1 [0004]
- DE 102009059300 A1 [0008]
- DE 102006012920 B3 [0008]
