DE102016116700A1 - Verfahren zum Betrieb einer Solarvorrichtung und Solarvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Solarvorrichtung zum Umwandeln von Solarenergie in elektrische Energie und eine Solarvorrichtung mit einem Fotovoltaikmodul und einem Peltierelement, das im thermischen Kontakt mit dem Fotovoltaikmodul angeordnet ist, wobei die Solarvorrichtung einen Temperatursensor und einen als Globalstrahlungssensor ausgebildeten Lichtsensor sowie eine Steuereinheit aufweist. Gemäß des Verfahrens wird, bevor die Solarvorrichtung den regulären Betrieb aufnimmt, eine Temperaturcharakteristik durch Messen der bei jeweils vorgegebenen Temperaturen erzeugten Leistung und Normierung auf den Momentanwert der Globalstrahlung erstellt. Im regulären Betrieb wird anhand dieser Temperaturcharakteristik und des fortwährend gemessenen Momentanwertes der Globalstrahlung eine Soll-Temperatur des Fotovoltaikmoduls bestimmt und dasselbe mittels des Peltierelementes auf diese Soll-Temperatur geregelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Solarvorrichtung mit Fotovoltaikmodulen zum Umwandeln von Solarenergie in elektrische Energie, das dazu geeignet ist, die Solarvorrichtung unabhängig von den Umgebungsbedingungen mit weitestgehend konstanter Energieumwandlungsausbeute zu betreiben, sowie eine Solarvorrichtung.
  • Solarvorrichtungen mit Fotovoltaikmodulen zum Umwandeln von Solarenergie in elektrische Energie werden – z. B. auf dem Dach eines Gebäudes – derart installiert, dass sie tagsüber der Solarstrahlung ausgesetzt sind. Die Solarstrahlung, auch bekannt als Globalstrahlung, setzt sich zusammen aus der direkten Sonneneinstrahlung sowie der Diffusstrahlung bzw. Himmelsstrahlung, die z. B. durch Streuung des Sonnenlichts an Wolken entsteht. Insbesondere durch die direkte Sonneneinstrahlung tritt eine Erwärmung der Solarvorrichtungen ein (z. B. auch im Winter, d. h. bei geringen Außentemperaturen). Bei intensiver Sonneneinstrahlung (z. B. in Äquatornähe) können sich Fotovoltaikmodule auf Temperaturen von 80 °C oder mehr erwärmen.
  • Es ist bekannt, dass der mittels Fotovoltaikmodulen bzw. der darin verwendeten Solarzellen (auch Fotovoltaikzellen oder fotovoltaische Zellen genannt) erzeugbare Strom neben der Abhängigkeit von der Lichtintensität auch eine Temperaturabhängigkeit zeigt. Mit zunehmender Temperatur nimmt der Wirkungsgrad bzw. die Stromausbeute ab, sodass eine Erwärmung in der Regel unerwünscht ist. Ab einer Schwellentemperatur von z. B. 30°C tritt ein sog. „Voltage Drop“ ein, d. h. die mit der Solarzelle erzeugte Spannung fällt ab, wobei eine Temperaturerhöhung von 1°C etwa einen Leistungsverlust von 1% nach sich ziehen kann. Eine Temperatur der Solarzelle von etwa 45°C würde also einen Leistungsverlust in der Stromerzeugung von etwa 15% bedeuten. Somit ist eine Solarzelle bzw. ein Fotovoltaikmodul nur bei Temperaturen unterhalb dieser Schwellentemperatur von etwa 30°C mit hoher Effizienz betreibbar.
  • Um ein zu starkes Erhitzen von Fotovoltaikanlagen zu vermeiden, können solche Anlagen gekühlt werden, z. B. mittels Hinterlüftens der Fotovoltaikmodule, mittels metallischer Kühlkörper oder mittels einer Flüssigkühlung. Die DE 10 2004 002 900 A1 beschreibt ein Fotovoltaikmodul, welches mittels einer Kühlflüssigkeit, die durch einen Kühlkreislauf mit einem Wärmetauscher geleitet wird, gekühlt wird, wobei unter Verwendung von Wasser als Kühlflüssigkeit die gleichzeitige Gewinnung von Warmwasser beschrieben ist.
  • Die DE 20 2008 004 965 U1 beschreibt ein gleichzeitig als Sonnenkollektor wirkendes Kühl- bzw. Thermoelement für ein Fotovoltaikmodul, welches Kanäle zum Durchleiten eines flüssigen Kühl- oder Heizmediums aufweist und zum Abkühlen oder Anwärmen des Fotovoltaikmoduls verwendet werden kann.
  • Auch die Verwendung von Peltierelementen in Verbindung mit Solarzellen ist bekannt. Ein Peltierelement ist ein elektrothermischer Wandler mit zwei Thermoflächen, der – basierend auf dem Peltiereffekt – bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz zwischen seinen beiden Thermoflächen erzeugt oder aber – basierend auf dem Seebeckeffekt als Umkehrung des Peltiereffekts – bei Vorliegen einer Temperaturdifferenz zwischen den beiden Thermoflächen einen Stromfluss zwischen zwei entsprechenden Anschlusselektroden des Peltierelements erzeugt. Im letzteren Fall wirkt das Peltierelement somit als thermoelektrischer Generator.
  • Die DE 10 2007 055 462 A1 beschreibt eine Fotovoltaik-Anlage mit einer Solarzelle und einem Peltierelement, wobei das Peltierelement mittels Anlegens einer Spannung daran zur Kühlung und/oder Beheizung der Solarzelle verwendet werden kann.
  • Nachteilig bei der Kühlung, insbesondere mit Peltierelementen, sind die zusätzlich für die Kühlung entstehenden Kosten für z. B. den zum Kühlen notwendigen Strom.
  • Zusätzlich ergibt sich bei der Energieversorgung mittels Solarvorrichtungen die Problematik starker Schwankungen der erzeugten elektrischen Energie in Abhängigkeit von den Wetterbedingungen. Im Sinne einer stabilen Stromversorgung mit Fotovoltaik-Anlagen wäre es wünschenswert, eine Fotovoltaik-Anlage mit jahreszeitlich oder sogar tageszeitlich nur geringen Schwankung der von ihr bereitgestellten elektrischen Energie betreiben zu können.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer Solarvorrichtung mit Fotovoltaikzellen zum Umwandeln von Solarenergie in elektrische Energie sowie eine solche Solarvorrichtung bereitzustellen, mittels denen unabhängig von den Wetterbedingungen, namentlich Sonneneinstrahlung und Temperatur, eine gleichbleibend hohe Abgabe elektrischer Leistung erzielt werden kann.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zum Betrieb einer Solarvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Solarvorrichtung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 9; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Solarvorrichtung und eine Solarvorrichtung mit mindestens einem Fotovoltaikmodul, das zum Umwandeln von Solarenergie in elektrische Energie ausgebildet ist, bereitgestellt, wobei die Solarvorrichtung ferner wenigstens ein Peltierelement aufweist, das im thermischen Kontakt mit dem Fotovoltaikmodul angeordnet ist. Das Fotovoltaikmodul kann eine oder mehrere Fotovoltaikzellen umfassen.
  • Vorzugsweise ist das Peltierelement an der Rückseite des Fotovoltaikmoduls, d. h. seiner der Sonne abgewandten Seite, angebracht.
  • Die thermische Kontaktierung zwischen dem Peltierelement (bzw. dessen erster Thermofläche) und dem Fotovoltaikmodul kann z. B. durch Kontaktieren einer Außenfläche (z. B. einer Rückseitenfläche) des Fotovoltaikmoduls mit einem großflächigen Wärmetauschkörper (z. B. einer Metallfolie, etwa aus Kupfer oder Aluminium, oder einer Diamantbeschichtung) und Kontaktieren (einer Rückseite) des Wärmetauschkörpers mit dem Peltierelement (bzw. dessen erster Thermofläche) erfolgen. Der Wärmetauschkörper kann z. B. aus einem Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit bestehen; wobei die den Wärmetauschkörper kontaktierende erste Thermofläche gegenüber der Fläche des Wärmetauschkörpers (und gegenüber der Außenfläche des Solarelements) klein gehalten sein kann, da aufgrund der guten thermischen Leitfähigkeit des Wärmetauschkörpers die gesamte von dem Wärmetauschkörper aufgenommene Wärmemenge dem Peltierelement zugeführt werden kann. Demgemäß kann vorgesehen sein, lediglich einen Teil der Außenfläche des Fotovoltaikmoduls mit einem Peltierelement zu kontaktieren, wodurch die Kosten für die Herstellung der Solarvorrichtung geringer gehalten werden können.
  • Die für das erfindungsgemäße Verfahren vorgesehene Solarvorrichtung weist zudem zumindest einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur des Fotovoltaikmoduls und einen in Form eines Globalstrahlungsmessgerätes ausgebildeten Lichtsensor zum Erfassen des Momentanwertes der Globalstrahlung auf. Dieser Lichtsensor wird im Folgenden als „Globalstrahlungssensor“ bezeichnet. Zusätzlich kann die Solarvorrichtung weitere Lichtsensoren zum Erfassen einer Lichtintensität aufweisen.
  • Die Solarvorrichtung umfasst außerdem eine zumindest mit dem Temperatursensor, dem Globalstrahlungssensor und dem Peltierelement verbundene Steuereinheit, die zum derartigen Beaufschlagen des Peltierelements mit einem elektrischen Strom (bzw. einer elektrischen Spannung) ausgebildet ist, dass die erste Thermofläche gegenüber der zweiten Thermofläche geheizt oder gekühlt wird, d. h. das Peltierelement als Wärmepumpe zum wahlweisen Heizen oder Kühlen des Fotovoltaikmoduls betrieben werden kann. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung (in der Regel einer Gleichspannung) an die beiden Anschlusselektroden des Peltierelementes kann, abhängig von der Polung der angelegten Spannung, entweder Wärme von der zweiten zu der ersten Thermofläche (d. h. das Fotovoltaikmodul geheizt) oder aber von der ersten zu der zweiten Thermofläche gepumpt (d. h. das Fotovoltaikmodul gekühlt) werden.
  • Die Steuereinheit ist insbesondere eingerichtet, dass von ihr, basierend auf der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur und dem von dem Globalstrahlungssensor erfassten Momentanwert der Globalstrahlung, die Funktionalität des Peltierelements variiert werden kann.
  • Des Weiteren ist das Peltierelement derart mit der Steuereinheit verschaltet, dass es auch als thermoelektrischer Generator (im Folgenden kurz als „Thermogenerator“ bezeichnet) zum Erzeugen einer elektrischen Spannung betrieben werden und die erzeugte Spannung über die Anschlusselektroden des Peltierelements abgegriffen werden kann. Das Peltierelement der Solarvorrichtung kann ein einstufiges oder ein mehrstufiges Peltierelement sein.
  • Erfindungsgemäß wird die Solarvorrichtung so betrieben, dass, basierend auf der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur und dem von dem Globalstrahlungssensor erfassten Momentanwert der Globalstrahlung, die Ansteuerung des Peltierelements variiert wird, wobei mittels des Peltierelements das Fotovoltaikmodul durch Heizen oder insbesondere Kühlen in der Weise temperiert wird, dass die mittels des Fotovoltaikmoduls gewonnene elektrische Leistung während seines Betriebs stets in einem vorgegebenen Bereich, vorzugsweise der nominalen Maximalleistung des Fotovoltaikmoduls, liegt.
  • Hierzu kann das Peltierelement selektiv entweder als Thermogenerator zum passiven Kühlen (und gleichzeitigen Erzeugen einer elektrischen Spannung) oder als Wärmepumpe zum aktiven Kühlen (oder auch Anwärmen) des Fotovoltaikmoduls betrieben werden.
  • Die mit einer Solarvorrichtung generierte elektrische Leistung hängt, wie bereits ausgeführt, primär von zwei Parametern ab: sie wird sowohl von der auf die Fotovoltaikzellen der Fotovoltaikmodule eingestrahlten Globalstrahlung als auch der Fotovoltaikzellen-Temperatur beeinflusst.
  • Der Grad der Erwärmung, d. h. die während des Betriebes der Solarvorrichtung am Fotovoltaikmodul anliegende Temperatur, hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab und ist somit analytisch nur schwer zu erfassen, d. h., eine Vorhersage des zeitlichen Verlaufs der Ist-Temperatur des Fotovoltaikmoduls ist nur unter Zuhilfenahme umfangreicher Messdaten und aufwendiger Simulationsmodelle möglich.
  • Eine empirische Bestimmung des Einflusses der Temperatur als einem der beiden die generierte elektrische Leistung bestimmenden Parameter hingegen ist möglich, indem der Einfluss des anderen Parameters, nämlich der Globalstrahlung, eliminiert (d. h. aus der erzeugten elektrischen Leistung herausgerechnet) wird.
  • Das Herausrechnen der Abhängigkeit der erzeugten Leistung von der eingestrahlten Sonnenlichtintensität (Globalstrahlung) kann durch eine Normierung der bei einer Vielzahl von vorgegebenen Temperaturen von den Fotovoltaikmodulen der Solarvorrichtung erzeugten Leistung auf die Solarstrahlungs-Flächenleistungsdichte in Form des Momentanwerts der Globalstrahlung (d. h. die Intensität der diffusen und der direkten Sonneneinstrahlung pro Quadratmeter) erfolgen. Auf diese Art kann für jede Solarvorrichtung eine charakteristische Temperaturabhängigkeit der Energieerzeugungseffizienz, im Folgenden als Temperaturcharakteristik bezeichnet, bestimmt werden.
  • Auf dieser Abhängigkeit basiert das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Solarvorrichtung, wobei in Vorbereitung des regulären Betriebs zur Erzeugung von elektrischer Energie die Temperaturcharakteristik jedes Fotovoltaikmoduls bzw. der gesamten Solarvorrichtung in Messreihen empirisch erfasst und diese Temperaturcharakteristik in der Steuereinheit der Solarvorrichtung hinterlegt wird.
  • Für das Erfassen der Temperaturcharakteristik wird für unterschiedliche Temperaturwerte eines Fotovoltaikmoduls bzw. dessen Fotovoltaikzellen die erzeugte elektrische Leistung bestimmt und auf den zu dem jeweiligen Zeitpunkt gemessenen Momentanwert der Globalstrahlung normiert. Durch eine entsprechende Auswahl der Temperaturwerte wird ein Temperaturbereich von wenigstens 0°C bis 40°C abgedeckt, bevorzugt erfolgen die Messungen jedoch für den gesamten Temperaturbereich, dem die Solarvorrichtung während des regulären Betriebes ausgesetzt sein wird.
  • Weiterhin wird in der Steuereinheit ein Sollwert der von der Solarvorrichtung (während eines Tageszyklus dauerhaft) zu erzeugenden elektrischen Leistung (d. h. eine Soll-Leistung) hinterlegt. Vorzugsweise entspricht die Soll-Leistung der nominalen Maximalleistung der Solarvorrichtung.
  • Gemäß der Erfindung erfolgt während des regulären Betriebs der Solarvorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie fortwährend eine Messung des Momentanwertes der Globalstrahlung (d. h. der Intensität der Summe der auf die Fotovoltaikzellen auftreffenden elektromagnetischen Strahlung) mittels des Globalstrahlungssensors. Diese fortwährende Messung kann kontinuierlich erfolgen oder diskret in wiederkehrenden (z. B. periodischen) Zeitabständen.
  • Anhand der Temperaturcharakteristik und des Momentanwertes der Globalstrahlung wird sodann für die vorgegebene Soll-Leistung eine Soll-Temperatur des Fotovoltaikmoduls (bzw. aller Fotovoltaikmodule) bestimmt. Anschließend wird durch Ansteuerung der jeweils mit dem Fotovoltaikmodul in thermischer Verbindung stehenden Peltierelemente die derart bestimmte Soll-Temperatur eingestellt, d. h. die Ist-Temperatur auf die Soll-Temperatur geregelt.
  • Hierfür können die Peltierelemente als aktive Kühler verwendet werden, d. h. mittels eines Stromflusses durch die Peltierelemente wird aufgrund des Peltiereffektes aktiv Wärme von den Fotovoltaikzellen abtransportiert. Es kann auch die passive Kühlfähigkeit der Peltierelemente ausgenutzt werden, wobei die Peltierelemente aufgrund des zwischen der Umgebung und den Fotovoltaikzellen herrschenden Temperaturgradienten Strom generieren, d. h. als Thermogeneratoren genutzt werden, und hierbei den Fotovoltaikzellen Wärme entziehen.
  • Jedes Peltierelement steht mit (lediglich) einer seiner Thermoflächen in thermischer Verbindung mit dem zu temperierenden Fotovoltaikmodul, etwa indem die erste Thermofläche – z. B. mittels einer Wärmeleitpaste – in thermischem Kontakt mit dem Fotovoltaikmodul angeordnet ist (z. B. flächig an einer Fläche des Fotovoltaikmoduls anliegt), wohingegen die zweite Thermofläche der Außenumgebung ausgesetzt angeordnet ist, d. h. nicht in direktem Kontakt mit dem Fotovoltaikmodul steht. Somit kann die das (bei Lichteinfall auf das Fotovoltaikmodul) erwärmte Fotovoltaikmodul kontaktierende erste Thermofläche gegenüber der das Fotovoltaikmodul nicht (unmittelbar) kontaktierenden zweiten Thermofläche eine erhöhte Temperatur aufweisen, sodass Strom generiert werden kann.
  • Die Ist-Temperatur des Fotovoltaikmoduls (d. h. jedes einzelnen oder der Gesamtheit aller Fotovoltaikmodule) wird fortwährend gemessen und der Soll-Temperatur nachgeführt. Die fortwährende Messung der Ist-Temperatur kann in gleicher Weise wie die Messung des Momentanwertes der Globalstrahlung kontinuierlich erfolgen oder diskret in wiederkehrenden Zeitabständen. Es kann auch vorgesehen sein, die Temperatur kontinuierlich zu messen, während der Momentanwert der Globalstrahlung in (tagsüber z. B. periodisch) wiederkehrenden Zeitabständen bestimmt wird.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer Solarvorrichtung ist, dass die Solarvorrichtung stets, d. h. unabhängig von den Wetterbedingungen (bedeckter Himmel, hohe Lufttemperatur, etc.) seine vorgegebene Soll-Leistung erzielt, wobei der Energieeinsatz zum Kühlen der Fotovoltaikzellen gezielt, nämlich auf das Mindestmaß, begrenzt wird.
  • Da die Peltierelemente entsprechend der Anforderungen an die bereitzustellende Kühlleistung betrieben werden, kann ein Peltierelement als Thermogenerator betrieben werden, indem die Temperaturdifferenz zwischen dem – z. B. von der Solarstrahlung erwärmten – Fotovoltaikmodul und der Außenumgebung zum Erzeugen eines elektrischen Stromes (bzw. einer Spannung) mittels des Peltierelements genutzt wird, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Solarvorrichtung gesteigert werden kann, wobei dieses Peltierelement als Wärmesenke bzw. Kühlvorrichtung zum Kühlen des Solarelements wirkt, indem Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.
  • Infolge des kombinierten Effekts der Kühlung eines Fotovoltaikmoduls und der zusätzlichen Stromerzeugung durch das Peltierelement sind – bezogen auf die Stromausbeute eines entsprechenden Fotovoltaikmoduls ohne Peltierelement – Leistungssteigerungen im zweistelligen Prozentbereich möglich.
  • Durch eine (aktive oder passive) Kühlung kann weiterhin die thermische Degradation eines Fotovoltaikmoduls verringert und somit dessen Lebensdauer verlängert werden.
  • Gemäß einer Ausgestaltungsvariante des Verfahrens kann ein Peltierelement durch Beaufschlagen mit elektrischem Strom als Wärmepumpe betrieben werden, d. h. nicht nur für die aktive Kühlung, sondern auch für eine Erwärmung des Fotovoltaikmoduls eingesetzt werden. Dieses Anwärmen kann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn ein Fotovoltaikmodul aufgrund der Insolation eine höhere elektrische Leistung erzeugt als von der hinterlegten Soll-Leistung vorgegeben. Auf diese Art können Spannungsspitzen abgefangen werden.
  • Außerdem kann im Winter durch ein kurzzeitiges Erwärmen des Fotovoltaikmoduls auf demselben angesammelter Schnee abgeschmolzen werden, um die volle Funktionalität der Solarvorrichtung auch nach Schneefall sicherzustellen.
  • Die Erfindung kann weiter derart ausgebildet sein, dass für eine Solarvorrichtung, bei der mit jedem Fotovoltaikmodul mehrere Peltierelemente in thermischen Kontakt stehen, wenigstens eines dieser Peltierelemente zur passiven Kühlung als Thermogenerator zur (zusätzlichen) Stromerzeugung genutzt wird, während die restlichen Peltierelemente durch Beaufschlagen mit Strom als aktive Kühlelemente verwendet werden. Hierbei kann von der Steuereinheit die Anzahl der je Fotovoltaikmodul als Thermogenerator bzw. als aktives Kühlelement zu verwendenden Peltierelemente auf Basis der gemessenen und der hinterlegten Daten bestimmt werden.
  • Zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass alle Peltierelemente eines Fotovoltaikmoduls – solange sich die Temperatur des Fotovoltaikmoduls innerhalb eines vorgegebenen Temperaturintervalls befindet – als Stromerzeuger betrieben werden und mit steigender Erwärmung (oberhalb des vorgegebenen Temperaturintervalls) zunehmend mehr Peltierelemente als aktive Kühlelemente zum Kühlen des Fotovoltaikmoduls betrieben werden, um die Ist-Temperatur des Fotovoltaikmoduls auf die Soll-Temperatur zu regeln.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass einzelne Fotovoltaikmodule oder die gesamte Solarvorrichtung zusätzlich mittels Wasser gekühlt werden. Hierfür können die Fotovoltaikmodule oder die Solarvorrichtung schwimmend in einem Gewässer installiert werden, sodass das Wasser des Gewässers als Kühlmedium fungiert. Bei schwimmend auf einer Wasseroberfläche angeordneten Fotovoltaikmodulen kann durch den Wasserkontakt eine effektive Kühlung der Fotovoltaikmodul-Rückseite erfolgen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann ein Mindestwert für den Momentanwert der Globalstrahlung definiert werden, oberhalb dessen erst die Kühlung der Fotovoltaikzellen erfolgt. Dies ist insbesondere von Vorteil, um die zum Kühlen notwendige Energie zu begrenzen, wenn (z. B. aufgrund eines Sandsturmes) nicht ausreichend Licht auf die Fotovoltaikzellen zur Erzeugung der hinterlegten Soll-Leistung fällt.
  • Auch kann vorgesehen sein, einen Filter, vorzugsweise einen Bandpassfilter, für den Globalstrahlungssensor zu verwenden, der nur denjenigen Frequenzbereich der elektromagnetischen Strahlung zum Globalstrahlungssensor passieren lässt, der von den Fotovoltaikzellen für die Erzeugung von Strom nutzbar ist bzw. der von dem Fotovoltaikmodul absorbiert wird. Auf diese Weise können Frequenzverschiebungen der Intensitätsmaxima in der Globalstrahlung effektiv eliminiert bzw. nur die spezifisch von den Fotovoltaikzellen nutzbare elektromagnetische Strahlung (d. h. Licht) für die Bestimmung der Soll-Temperatur berücksichtigt werden.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die schematische Zeichnung näher erläutert. Dazu zeigt die Figur eine Temperaturcharakteristik zur Durchführung des Verfahrens zum Betrieb einer Solarvorrichtung.
  • Auf der Ordinate ist die erzeugte Leistung P pro Globalstrahlungsintensität I und auf der Abszisse die Fotovoltaikzellen-Temperatur T, d. h. die Ist-Temperatur, aufgetragen. Die Zunahme der generierten elektrischen Leistung pro eingestrahlter Intensität mit sinkender Temperatur T ist evident. Nachdem für die Solarvorrichtung diese Abhängigkeit empirisch bestimmt wurde, erfolgt auf dieser Basis der reguläre Betrieb der Solarvorrichtung, wobei für einen gemessenen Momentanwert der Globalstrahlung mit Hilfe der Temperaturcharakteristik eine Soll-Temperatur bestimmt wird, auf welche die Fotovoltaikzellen mittels der Peltierelemente eingestellt werden.
  • Gemäß des Verfahrens wird z. B. im Hochsommer bei maximaler Sonneneinstrahlung die Solarvorrichtung ungekühlt betrieben, wenn sie aufgrund der hohen eingestrahlten Leistungsdichte bereits ihre vorgegebene Soll-Leistung trotz einer Ist-Temperatur von etwa 60 °C am Fotovoltaikmodul erzeugt. Schieben sich hingegen Wolken vor die Sonne, so wird mittels des Globalstrahlungssensors die reduzierte solare Einstrahlung erfasst und infolgedessen wird das Fotovoltaikmodul aktiv auf diejenige Soll-Temperatur gekühlt, die aus der Temperaturcharakteristik berechnet wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102004002900 A1 [0004]
    • DE 202008004965 U1 [0005]
    • DE 102007055462 A1 [0007]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Solarvorrichtung, die wenigstens ein Fotovoltaikzellen umfassendes Fotovoltaikmodul, für jedes Fotovoltaikmodul mindestens ein mit demselben in thermischem Kontakt stehendes Peltierelement, einen oder mehrere Temperatursensoren zur Bestimmung einer Ist-Temperatur der Fotovoltaikzellen, einen Globalstrahlungssensor zur Bestimmung eines Momentanwertes der Globalstrahlung und eine zumindest mit den Temperatursensoren, dem Globalstrahlungssensor und den Peltierelementen verbundene Steuereinheit aufweist, wobei – vor Aufnahme eines regulären Betriebs zur Erzeugung von elektrischer Energie eine Temperaturcharakteristik der Fotovoltaikmodule durch Messen der für eine Vielzahl unterschiedlicher Fotovoltaikmodul-Temperaturen im Bereich zwischen wenigstens 0°C und 40°C erzeugten und auf den mit dem Globalstrahlungssensor gemessenen Momentanwert der Globalstrahlung normierten elektrischen Leistung empirisch bestimmt und diese Temperaturcharakteristik in der Steuereinheit der Solarvorrichtung hinterlegt wird; und – während des regulären Betriebs zur Erzeugung von elektrischer Energie fortwährend ein Momentanwert der Globalstrahlung mittels des Globalstrahlungssensors sowie eine Ist-Temperatur der Fotovoltaikzellen gemessen und aus der hinterlegten Temperaturcharakteristik, einer vorgegebenen Soll-Leistung der von der Solarvorrichtung zu erzeugenden elektrischen Leistung und dem Momentanwert der Globalstrahlung eine Soll-Temperatur der Fotovoltaikzellen berechnet und mittels Ansteuerung der Peltierelemente die Ist-Temperatur der Fotovoltaikzellen auf die Soll-Temperatur geregelt wird.
  2. Verfahren zum Betrieb einer Solarvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Soll-Leistung der von der Solarvorrichtung zu erzeugenden elektrischen Leistung jahreszeitenspezifisch vorgegeben wird.
  3. Verfahren zum Betrieb einer Solarvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit jedem Fotovoltaikmodul mehrere Peltierelemente in thermischem Kontakt stehen, wovon wenigstens ein Peltierelement als Thermogenerator und die restlichen Peltierelemente durch Beaufschlagen mit Strom als aktive Kühlelemente genutzt werden.
  4. Verfahren zum Betrieb einer Solarvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der als Thermogenerator verwendeten Peltierelemente mit steigender Temperaturdifferenz zwischen Soll- und Ist-Temperatur verringert wird.
  5. Verfahren zum Betrieb einer Solarvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine unterstützende Kühlung mit Wasser erfolgt.
  6. Verfahren zum Betrieb einer Solarvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mindestwert für den Momentanwert der Globalstrahlung definiert wird, oberhalb dessen eine Temperierung der Fotovoltaikzellen mittels der Peltierelemente erfolgt.
  7. Verfahren zum Betrieb einer Solarvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Globalstrahlungssensor ein Bandpassfilter geschaltet wird, der nur den von den Fotovoltaikzellen in elektrische Energie umwandelbaren Frequenzbereich auf den Globalstrahlungssensor passieren lässt.
  8. Verfahren zum Betrieb einer Solarvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine mehrere Fotovoltaikmodule umfassende Solarvorrichtung für jedes Fotovoltaikmodul eine Temperaturcharakteristik erstellt wird und jedes Fotovoltaikmodul unabhängig von den anderen Fotovoltaikmodulen temperiert wird.
  9. Solarvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend mindestens ein Fotovoltaikzellen umfassendes Fotovoltaikmodul, für jedes Fotovoltaikmodul mindestens ein mit demselben in thermischem Kontakt stehendes Peltierelement, einen oder mehrere Temperatursensoren zur Bestimmung einer Ist-Temperatur der Fotovoltaikzellen und eine zumindest mit den Temperatursensoren und den Peltierelementen verbundene Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass – sie einen mit der Steuereinheit verbundenen Globalstrahlungssensor zur Bestimmung eines Momentanwertes der Globalstrahlung aufweist, und – die Steuereinheit eingerichtet ist, aus einer hinterlegten Temperaturcharakteristik, der Ist-Temperatur und dem Momentanwert der Globalstrahlung eine Soll-Temperatur der Fotovoltaikzellen zu bestimmen und jedes Peltierelement als Wärmepumpe zum wahlweisen Heizen oder Kühlen der Fotovoltaikzellen zu betreiben.
DE102016116700.2A 2016-01-27 2016-09-07 Verfahren zum Betrieb einer Solarvorrichtung und Solarvorrichtung Withdrawn DE102016116700A1 (de)

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