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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Photovoltaikanlage, umfassend mindestens ein Photovoltaikmodul, wobei das Photovoltaikmodul eine oder eine Vielzahl von Solarzellen aufweist, die auf einer Vorderseite (der Seite auf der die Sonnenstrahlen auf die Solarzellen treffen) des Photovoltaikmoduls angeordnet sind.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kühlung von Photovoltaikmodulen.
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Photovoltaikmodule erwärmen sich durch Sonneneinstrahlung, was eine Reduzierung ihres Wirkungsgrads zufolge hat.
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In der nachfolgenden Tabelle ist der Einfluss der Erwärmung von Solarzellen auf den Leistungs- und Spannungsrückgang von Solarmodulen (Photovoltaikmodulen) dargestellt:
| Temperatur der Solarzellen | Leistungsrückgang | Spannungsrückgang |
| 25 °C | 0% | 0 % |
| 40 °C | ca. 13,7 % | ca. 4,9 % |
| 45 °C | ca. 18,3 % | ca. 6.6 % |
| 50 °C | ca. 22,9 % | ca. 8,25 % |
| 55 °C | ca. 27,3 % | ca. 9.9 % |
| 60 °C | ca. 32,0 % | ca. 11,6 % |
| 65 °C | ca. 36,4 % | ca. 13,2 % |
| 70 °C | ca. 41,1 % | ca. 14,9 % |
| 75 °C | ca. 45,7 % | ca. 16,5 % |
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Die am häufigsten gemessen (wetterabhängigen) Innentemperaturen liegen bei Solarzellen (bei voller Belastung) in einem Bereich zwischen 45-70 °C.
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Um diesen Nachteil zu reduzieren, wurden Photovoltaikanlagen auf dem Wasser installiert. Das ist aber in den meisten Fällen geografisch nicht möglich, zumal der überwiegende Teil der Photovoltaikanlagen als Dach- oder Feldanlagen installiert ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher die Leistungseinbußen und Spannungsrückgänge von Photovoltaikanlagen, die bei erhöhten Temperaturen von Solarzellen auftreten, zu reduzieren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Photovoltaikanlage der eingangsgenannten Art gelöst, bei der an einem Photovoltaikmodul mindestens ein wärmeableitendes Element angeordnet ist. Eine solche Photovoltaikanlage reduziert die Leistungseinbußen, die durch erhöhte Temperaturen entstehen erheblich, so dass eine temperaturunabhängige Stromgenerierung der Photovoltaikanlage gewährleistet wird.
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Durch das wärmeableitende Element wird die Wärme vom Photovoltaikmodul weggeleitet bzw. abgeleitet und durch die (große) Oberfläche des wärmeableitenden Elements an die Umgebung abgegeben. Infolge der Kühlung verlangsamt sich der Alterungsprozess der Solarzellen der Photovoltaikmodule und erhöht damit die Lebensdauer der Photovoltaikanlage.
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Das wärmeableitende Element ist vorzugsweise ein Behälter, der mit einem Kühlmittel gefüllt ist oder eine wärmeleitende Platte bzw. eine wärmeableitende Platte.
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Das wärmeableitende Element deckt vorzugsweise einen Teil oder die gesamte Rückseite des Photovoltaikmoduls ab.
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Das wärmeableitende Element ist vorzugsweise an einem das Photovoltaikmodul umfassenden Rahmen angeordnet, wobei der Rahmen geeigneter Weise aus einem wärmleitenden Material besteht. Die beim Betrieb der Photovoltaikanlage entstehende Wärme wird vom Photovoltaikmodul an das wärmeableitende Element und von dort an die Umgebung abgegeben, wodurch eine zu starke Erwärmung des Photovoltaikmodul verhindert wird.
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An dem wärmeableitenden Element ist vorzugsweise mindestens ein Thermoelektrischer Generator angeordnet.
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Das wärmeableitende Element ist vorzugsweise über ein Wärmerohr mit einem Thermoelektrischen Generator verbunden. Die Kondensationswärme der Wärmerohre kann auf diese Weise durch die Thermoelektrischen Generatoren zur weiteren Stromerzeugung genutzt werden.
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Photovoltaikmodule erwärmen sich im Betrieb; der Wärmeeintrag reduziert dabei die Leistung um bis zu 40 %, so dass der Strom nur mit großen Verlusten generiert wird. Der Einsatz von Wärmerohren zu einer autarken Kühlung kompensiert erheblich die Verluste, so dass eine temperaturunabhängige Stromerzeugung gewährleistet wird.
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Das Wärmerohr ist vorzugsweise teilweise in dem wärmeableitenden Element angeordnet.
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Des Weiteren wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Kühlung von Photovoltaikmodulen gelöst, bei dem die beim Betrieb einer Photovoltaikanlage entstehende Wärme durch wärmeableitende Elemente von dem Photovoltaikmodul weggeleitet werden.
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Vorzugsweise wird durch einen oder mehrere Thermoelektrische Generatoren, die mit den wärmeableitenden Elementen verbunden sind, die beim Betrieb der Photovoltaikanlage entstehende Wärme in elektrische Energie überführt.
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Die erzeugte Energie wird vorzugsweise in das (öffentliche) Stromnetz geleitet oder gespeichert. Hierzu ist die Photovoltaikanlage mit dem öffentlichen/kommunalen Stromnetz verbunden, in das der erzeugt Strom eingespeist wird. Außerdem kann die Photovoltaikanlage eine oder mehrere Akkumulator-Batterien aufwiesen, in denen der gewonnene Strom gespeichert wird.
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Die Vorrichtung (bzw. das Verfahren) ermöglicht eine autarke Kühlung von Photovoltaikmodulen und deren Solarzellen mittels Wärmerohren. Gleichzeitig kann die Kondensationswärme zur Generierung elektrischer Energie durch den Einsatz von Thermoelektrischen Generatoren genutzt werden.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren.
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Im Einzelnen zeigt
- 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Photovoltaikmodul mit einem Behälter, einem Verdampfer, einem Wärmerohr, einem Kondensator und einem Thermodynamischen Generator,
- 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Photovoltaikmodul mit einer wärmeleitenden Platte, einem Verdampfer, einem Wärmerohr, einem Kondensator mit Kühlrippen und
- 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine wärmeleitende Platte mit Wärmerohren.
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1 zeigt ein Photovoltaikmodul 1 einer Photovoltaikanlage mit auf der Vorderseite des Photovoltaikmoduls 1 angeordneten Solarzellen 2. Auf der der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite des Photovoltaikmoduls 1 ist ein wärmeableitendes Element 3 angeordnet.
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Bei der in der 1 gezeigten Ausführungsform der Photovoltaikanlage ist das wärmeableitende Element 3 ein (Kühl-)Behälter 3-1, der mit einem Kältemittel 4, wie beispielsweise einem organischen oder anorganischen Kältemittel, Ammoniak, Kohlenwasserstoff, Kohlenstoffdioxid, Wasser mit einem Frostschutz oder Öl, gefüllt ist.
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Geeigneter Weise besteht der (Kühl-)Behälter 3-1 aus einem Metall, wie beispielsweise Aluminium, und ist mit der Rückseite des Photovoltaikmoduls 1 mit einer Thermopaste verbunden. Die mechanische Befestigung kann an den Modulrahmen durch Verschraubung erfolgen. Auf diese Weise wird die bei der Benutzung der Photovoltaikanlage in den Photovoltaikmodulen 1, bzw. den Solarzellen 2, gebildete Wärme auf das wärmeableitende Element 3 und in dem in 1 gezeigten Fall auf den Behälter 3-1 und das darin befindliche Kältemittel 4 überführt und kann von dort an die Umgebung abgegeben werden.
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Im (Kühl-)Behälter 3 ist ein Wärmerohr 5, also ein Wärmeübertrager, der unter Nutzung von Verdampfungsenthalpie eines Mediums eine Wärmestromdichte erlaubt, angeordnet. Das Wärmerohr 5 ragt aus dem Behälter 3 heraus und umfasst einen Verdampfer 6 und einen Kondensator 7.
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Der obere Teil des (Kühl-)Behälters 3 ist bereiter ausgelegt als der übrige Teil des (Kühl-)Behälters 3, damit der Verdampfer 6 des Wärmerohrs 5 gut umspült wird.
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Beim Betrieb einer Photovoltaikanlage treten an der Rückwand der Photovoltaikmodule 1 Temperaturen zwischen 40-70 °C auf. Durch diese Erwärmung steigt das Medium im Kühlbehälter 3 nach oben und kühlt im Verdampfer 6 ab und bildet somit einen Medium-Kreislauf. Als (Arbeits-)Medium können dem Fachmann bekannte Kältemittel eingesetzt werden.
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Es gibt zwei Arten von Wärmerohren oder auch Heatpipes genannt. Wärmerohre mit Kapillarstruktur und schwerkraftunterstützende Wärmerohre. Da die meisten Photovoltaikmodule im Winkel aufgestellt sind, werden geeigneter Weise für die Kühlung schwerkraftunterstützende Wärmerohre einzusetzen. Sie wirken wie eine thermische Diode, das heißt, es gibt keine Umkehrung des Prozesses.
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Bei Ausführungsformen, bei denen das Wärmerohr 5 waagerecht angeordnet ist, weist das Wärmerohr 5 in seinem Inneren eine Kapillarstruktur auf, um die Wärme in die gewünschte Richtung (vom Photovoltaikmodul weg) zu leiten.
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Geeigneter Weise sind am Kondensator 7 (als warme Seite) ein oder mehrere Thermoelektrischer Generatoren 8 angeordnet.
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Der Thermoelektrische Generator 8 überführt Wärme in elektrische Energie aufgrund des Seebeck Effektes der auf eine Temperaturdifferenz beruht.
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Die Umkehrung des Seebeck Effekts ist der Peltier Effekt, das heißt wird eine Gleichspannung angelegt, so entsteht eine kalte Seite und eine warme Seite. Die kalte Seite wird für Kühlzwecke benutzt. Handelsüblich sind also Peltierelemente die als thermoelektrische Generatoren funktionieren. Es gibt sie in den Leistungsstufen 30 Watt, 60 Watt und 120 Watt.
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Auf der kalten Seite des Thermoelektrischen Generators 8 ist eine Platte mit Kühlrippen 9 angeordnet, die die Abwärme an die Atmosphäre ableiten. Somit wird zusätzliche elektrische Energie generiert, die je nach Temperaturdifferenz bis zu 60 W pro Photovoltaikmodul 1 betragen kann.
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Die mechanische Befestigung des Thermoelektrischen Generators 8 erfolgt durch Fixiermittel, wie zum Beispiel Schrauben.
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In den 2 und 3 wird eine weitere Ausführungsform der Photovoltaikanlage gezeigt, bei der das wärmeableitende Element 3 als (Kühl-)Platte 3-2 ausgebildet ist.
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In der in der 2 gezeigten Ausführungsform bedeckt die Platte 3-2 die gesamte Rückwand. Wichtig ist dabei das ein Wärmeaustausch zwischen dem Photovoltaikmodul 2 und der Platte 3-2 besteht. Geeigneter Weise durch Anwendung von Thermopaste. Die mechanische Befestigung der Platte 3-2 kann beispielsweise durch Verschraubung am Rahmen des Photovoltaikmoduls 2 erfolgen.
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Geeigneter Weise besteht die (Kühl-)Platte 3-2 aus Metall, wie beispielsweis Aluminium.
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Die wärmeleitende (Kühl-)Platte 3-2 ist an der Rückwand der Photovoltaikmodule 1 derart befestig, dass vom Photovoltaikmodul 1 Wärme an die (Kühl-)Platte 3-2 abgeben werden kann. Hierzu befindet sich zwischen dem Photovoltaikmodul 1 und der (Kühl-)Platte 3-2 eine Schicht aus Thermopaste.
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In oder an der (Kühl-)Platte 3-2 sind Wärmerohre 5 angeordnet. Der in der 3 gezeigte rechteckige Querschnitt der metallisch eingebundenen Wärmerohre 5 gewährleistet einen guten Wärmeübergang.
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Die wärmeleitende Platte 3-2 ist, in der in der 3 gezeigten Ausführungsform, derart ausgebildet, dass das Wärmerohr 5 von der Platte 3-2 umschlossen wird und die Platte 3-2 an der Rückwand 1-1 des Photovoltaikmoduls 1 anliegt.
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Geeigneter Weise werden die Wärmerohre 5 von der Platte 3-2 umhüllt, so dass ein guter Wärmeübergang gewährleistet ist.
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Die Kühlung kann auch ohne Thermoelektrischen Generator 8 erfolgen.
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Bei einer Ausführungsform, bei der das wärmeableitende Element 3 als Platte 3-2 ausgebildet ist, kann aber auch ein Thermoelektrischer Generator 8 mit dem Wärmerohr 5 verbunden sein, um zusätzlichen Strom zu generieren.
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Die elektrische Leistung des Thermoelektrischen Generators 8 kann mit einem Wechselrichter, wie beispielsweise einem Stringwechselrichter oder einem anderen geeigneten Wechselrichter, erfasst und gewandelt werden, oder an einem Zentralwechselrichter angeschlossen sein.
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In einer weiteren Ausführungsform kann das wärmeableitende Element 3 auf seiner dem Photovoltaikmodul 1 abgewandten Seite Kühlrippen aufweisen, durch die die Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann.
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Die erfindungsgemäße Photovoltaikanlage bietet eine preisewerte, autarke Kühlung von Photovoltaikmodulen 1 mit einer Möglichkeit zur zusätzlichen Stromgewinnung, die bisherige Leistungseinbußen kompensiert.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Photovoltaikmodul
- 1-1
- Rückwand, Rückseite (des Photovoltaikmoduls)
- 2
- Solarzelle
- 3
- wärmeableitendes Element
- 3-1
- (Kühl-)Behälter
- 3-2
- (Kühl-)Platte
- 4
- Kältemittel
- 5
- Wärmerohr
- 6
- Verdampfer
- 7
- Kondensator
- 8
- Thermoelektrischer Generator
- 9
- Kühlrippe
