DE10251446A1 - Kühlanordnung für lichtbündelnde Photovoltaik-Anlagen - Google Patents

Kühlanordnung für lichtbündelnde Photovoltaik-Anlagen Download PDF

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Abstract

Es wird eine Kühlanordnung für lichtbündelnde Photovoltaik-Anlagen mit einer oder einer Reihe von Photovoltaik-Vorrichtungen (PV-Zellen oder OV-Module) beschrieben, wobei die Kühlanordnung zur Befestigung an einer Wärmeübertragungsfläche einer PV-Vorrichtung (1) oder an den Wärmeübertragungsflächen mehrerer benachbarter PV-Vorrichtungen (1) vorgesehen ist. Die Kühlanordnung besteht aus einem Wärmerohr (8). DOLLAR A Das Wärmerohr (8) weist vorzugsweise auf: einen erweiterten, an der Wärmeübertragungsfläche der zu kühlenden PV-Vorrichtung (1) zu befestigenden Fußteil (9), dessen Breite und Länge der Breite beziehungsweise Länge der Wärmeübertragungsfläche einer oder mehrerer benachbarter PV-Vorrichtungen (1) entsprechen, einen Kopfteil (12), der in direkter Verbindung mit dem Fuß (9) steht und einen kleineren Querschnitt aufweist als der Fuß (9), so dass ein innerhalb des Wärmerohrs (8) befindliches Arbeitsfluid (10) auch dann im Fußteil (9) gehalten wird, wenn sich das Wärmerohr (8) in einer aus der vertikalen Lage, in der der Fußteil (9) unterhalb des Kopfes (12) angeordnet ist, maximal ausgelenkten Betriebsstellung befindet, und eine Auskleidung (11) aus einem offenporigen, eine Dochtwirkung entfaltenden Material, die wenigstens die Oberflächenbereiche innerhalb des Fußteils (9) bedeckt, die während des normalen Betriebs vom Arbeitsfluid (10) berührt werden können.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanordnung für lichtbündelnde Photovoltaik-Anlagen mit einer oder einer Reihe von Photovoltaik-Vorrichtungen (PV-Zellen oder OV-Module), wobei die Kühlanordnung zur Befestigung an einer Wärmeübertragungsfläche einer PV-Vorrichtung oder an den Wärmeübertragungsflächen mehrerer benachbarter PV-Vorrichtungen vorgesehen ist.
  • Übliche Photovoltaik-Anlagen, bei denen mehrere Zellen und Module zu Platten zusammengefasst sind, kommen ohne Kühlung aus. Dabei nimmt man Wirkungsgradverschlechterungen, die mit höheren Betriebstemperaturen einhergehen, in Kauf. Bei Hochleistungsanlagen (s. z. B. G. Sala et al.: The EUCLIDES Prototype: An Efficient Parabolic Trough for PV Concentration (http://www.users.globalnet.co.uk/~blootl/trackers/eucl.htm)) wird das Sonnenlicht mittels eines langgestreckten Parabolspiegels auf die lichtempfindlichen Flächen einer großen Anzahl hintereinander angeordneter PV-Module konzentriert. Derartige Anlagen kommen ohne wirkungsvolle Kühlung nicht aus. Auf den den lichtempfindlichen Flächen gegenüberliegenden Flächen oder Seiten der PV-Module sind in der Regel aus Metall, zum Beispiel Aluminium, bestehende Kühlkörper montiert, über deren Kühlrippen die Wärme durch Konvektion und Strahlung auf die umgebende Luft übertragen wird. Dabei übersteigt die Größe der Fläche der Kühlrippen die der Fläche der Fotomodule um ein Mehrfaches. Aber auch mit derartigen Kühlkörpern lässt sich die Temperatur der PV-Module nur auf einen Temperaturunterschied Δt von 30 bis 35°C über der Temperatur der umgebenden Luft drücken. Denn infolge der begrenzten Wärmeleitfähigkeit des Metalls der Kühlkörper und Kühlrippen ist eine weitere Vergrößerung ihrer Oberfläche nicht mehr wirtschaftlich. Ähnliche Schwierigkeiten bestehen auch bei solchen Anlagen, bei denen das Sonnenlicht mittels einer Fresnel-Linsenanordnung auf die lichtempfindlichen Flächen der PV-Module fokussiert wird.
    •
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung für PV-Module anzugeben, mit deren Hilfe sich die Wärmeabfuhr bei PV-Modulen weiter steigern lässt.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Kühlanordnung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, die Kühlanordnung aus einem Wärmerohr besteht. Dabei ist es aus der US-A 4 335 709 an sich bekannt, bei einer unbeweglichen, nicht fokussierenden Photovoltaik-Anlage zur Kühlung ein Wärmeübertragungsrohr vorzusehen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Kühlanordnung auf: einen erweiterten, an der Wärmeübertragungsfläche der zu kühlenden PV-Vorrichtung zu befestigenden Fußteil, dessen Breite und Länge der Breite beziehungsweise Länge der Wärmeübertragungsfläche einer oder mehrerer benachbarter PV-Vorrichtungen entsprechen, einen Kopfteil, der in direkter Verbindung mit dem Fußteil steht und einen kleineren Querschnitt aufweist als der Fußteil, so dass ein innerhalb des Wärmerohrs befindliches Arbeitsfluid auch dann im Fußteil gehalten wird, wenn sich das Wärmerohr in einer aus der vertikalen Lage, in der der Fußteil unterhalb des Kopfteils liegt, maximal ausgelenkten Betriebsstellung befindet, und eine Auskleidung aus einem offenporigen, eine Dochtwirkung entfaltenden Material, die wenigstens die Oberflächenbereiche innerhalb des Fußteils bedeckt, die während des normalen Betriebs vom Arbeitsfluid berührt werden können.
  • Wichtig dabei ist, dass die Abmessungen des Fuß- und Kopfteils sowie die Menge des Arbeitsfluids so bemessen werden, dass auch bei der im Betrieb vorkommenden. stärksten Auslenkung des Wärmerohrs der flüssige Teil des Arbeitsfluids stets im Fußteil bleibt.
  • Vorzugsweise ist die gesamte innere Oberfläche des Wärmerohrs mit der Auskleidung versehen. Dabei bleibt flüssiges Arbeitsfluid auch im Kopfteil stets in der Auskleidung gebunden, so dass die flüssigen und dampfförmigen Teile des Arbeitsfluids einander in ihrer Bewegung nicht behindern.
  • Der Kopfteil des Wärmerohrs ist vorzugsweise rohrförmig, wobei an der Außenfläche des Rohrs Kühlrippen befestigt sind. Die äußere Kühlrippe, also die im Betrieb direkt dem Sonnenlicht zugewandte Fläche, ist vorzugsweise mit einer reflektierenden Schicht versehen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Wärmerohr lösbar mit der Wärmeübertragungsfläche der PV-Vorrichtung verbunden. Die Verbindung kann aus einer Lotmetallschicht, einer Schrauben-Mutter-Verbindung und/oder aus einem Klammermechanismus bestehen.
  • Durch die erfindungsgemäße Kühlanordnung kann die Kühlleistung bei fokussierenden PV-Anlagen, insbesondere bei nachgeführten Anlagen, wesentlich verbessert werden. Dabei ist es möglich, die erfindungsgemäße Kühlanordnung wegen der lösbaren Verbindung mit dem zu kühlenden PV-Modul auch noch nachträglich bei bestehenden Anlagen anzubringen.
    •
  • Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
  • 1 den Längsschnitt einer an einem PV-Modul befestigten erfindungsgemäßen Kühlanordnung,
  • 2 den Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung mit abgewandelter Befestigung,
  • 3 schematisch die Lage der Kühlanordnung zu unterschiedlichen Tageszeiten,
  • 4 eine schematische isometrische Darstellung einer Reihe von mehreren hintereinander angeordneten Kühlvorrichtungen und
  • 5 die schematische Ansicht einer lichtbündelnden Photovoltaik-Anlage mit einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung, bei der das lichtbündelnde Element als Fresnel-Linse ausgeführt ist.
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Kühlanordnung mit einem Wärmeaustauschrohr 8, das aus einem Fußteil 9 mit erweitertem Querschnitt und einem rohrförmigen Kopfteil 12 besteht, dessen Querschnittsfläche (Querschnitt jeweils parallel zur Oberfläche des PV-Moduls 1, s. u.) wesentlich geringer ist als die des Fußteils 9. Die Außenwandung des Wärmerohrs 8 besteht aus einem möglichst gut wärmeleitenden Material, zum Beispiel Kupfer.
  • Der erweiterte Fußteil 9 hat hier die Form eines flachen Quaders. Andere Formen sind möglich, z. B. die Form einer Birne oder einer Pyramide.
  • Die Innenfläche zumindest des erweiterten Fußteils 9 ist mit einer Auskleidung 11 aus einem offenporigen, eine Dochtwirkung entfaltenden, gut wärmeleitenden Material versehen, zum Beispiel Metall; einer gesinterten Keramik, Kohlenstoff oder Keramikfasern, Maschengitter, Filz oder Kombinationen dieser Materialien. Es ist auch möglich, an der Innenwand des Wärmerohrs 8 axiale Kapillarnuten anzubringen. Wichtig ist, dass das flüssige Arbeitsfluid das Material der Auskleidung 11 benetzt, in die Poren oder Hohlräume der Auskleidung eindringen kann und dort durch Adhäsionskräfte gehalten wird.
  • Lässt man die Innenfläche des rohrförmigen Kopfteils 12 frei, so kann die Wärme von den Dampfmolekülen des Arbeitsfluids direkt auf die Rohrwandung übergehen. Andererseits hat eine Auskleidung 11 auch auf der Oberfläche des rohrförmigen Kopfteils 12 den Vorteil, dass die dampfförmigen und die kondensierten Moleküle des Arbeitsfluids einander nicht an der Bewegung behindern.
  • Bei der in 1 gezeigten Anordnung wird das von oben auf einen nicht gezeigten "Konzentrator", also einen parabolischen Spiegel oder eine langgestreckte Fresnel-Linse, einfallende Sonnenlicht auf die lichtempfindliche Fläche des PV-Moduls 1 fokussiert.
  • Auf der äußeren Oberfläche des rohrförmigen Kopfteils 12 sind metallische Kühlrippen 13 angebracht, deren oberste auf der dem Sonnenlicht direkt ausgesetzte Fläche mit einer reflektierenden Schicht 20 versehen ist. Die untere Oberfläche dieser Kühlrippe 13, sowie die Oberflächen der übrigen Kühlrippen 13 und des Wärmerohrs 8 sind geschwärzt.
  • 1 zeigt weiter die Befestigung der so ausgebildeten Kühlanordnung an einem fotovoltaischen Modul 1. Dessen in der Zeichnung untere Oberfläche ist dem Sonnenlicht ausgesetzt. Die obere Oberfläche ist mit einer wärmeleitfähigen Kleberschicht 3 versehen, die den PV-Modul 1 mit einer Zwischenplatte 4 verbindet. Die Kühlanordnung 8 ist mittels am Fußteil 9 befestigter Federklammern 7 an der Zwischenplatte 4 befestigt.
  • 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Befestigung: die Kühlanordnung 8 ist zusätzlich mit einer weiteren Kleberschicht 3 oder mittels einer Lotschicht 5 an der Zwischenplatte 4 befestigt.
  • Bei beiden Befestigungsarten lässt sich die Kühlanordnung 8 vom PV-Modul 1 lösen, so dass dieser bei Bedarf ausgewechselt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Kühlanordnung 8 mittels einer nicht gezeigten Schraube/Mutter-Verbindung an der Zwischenplatte 4 befestigt werden. Auch ließen sich in die Zwischenplatte 4 Gewindelöcher bohren, so dass eine entsprechende Schraubverbindung direkt in die Zwischenplatte 4 eingeschraubt werden könnte.
  • Die Höhe des Fußteils 9 kann bis zu einige Zentimeter betragen; seine Breite ist etwas größer als die des PV-Moduls 1. Vom PV-Modul 1 wird die Wärme über die Wärmeleitschicht 3 und die metallische Zwischenplatte 4 direkt zum Boden des Fußteils 9 (1) oder durch die weitere thermisch leitende Schicht 3 beziehungsweise die Lotschicht 5 ( 2) übertragen. Durch die eintretende Wärme wird das auf und in der Auskleidung 11 befindliche Arbeitsfluid 10 erhitzt und verdampft. Der Dampf strömt stets zur kühlsten Stelle des Wärmerohrs 8 im rohrförmigen Teil 12, wo er kondensiert und seine latente Verdampfungswärme an die Wand des Rohrs 12 überträgt, von wo die Wärme von den Kühlrippen 13 durch Strahlung und Konvektion an die Atmosphäre abgegeben wird. Das kondensierte Arbeitsfluid 10 fließt unter der Schwerkraft zurück zum unteren Fußteil 9 des Wärmerohrs 8, womit sich der Kreislauf schließt.
  • Der Innendurchmesser des Rohr 12 kann 1 bis 3 cm betragen; er sollte so optimiert werden, dass die gegenläufigen Ströme aus dampfförmigem und kondensiertem Arbeitsfluid einander möglichst wenig Widerstand entgegensetzen. Je Fußteil eines Wärmerohrs 8 können mehrere Rohre 12 vorgesehen sein; ihre Gesamtzahl pro Fußteil 9 wird bestimmt durch die erforderliche Kühlleistung unter den jeweiligen Arbeitsbedingungen der lichtbündelnden Photovoltaik-Anlage.
  • 3 veranschaulicht den funktionellen Zweck der Ausbildung des Wärmerohrs 8 mit einem weiten Fußteil 9 und dem schmalen oberen Rohr 12. Bei einer der Sonnenstellung nachgeführten Photovoltaik-Anlage gelangt die Kühlanordnung aus einer fast horizontalen Stellung am Morgen (3 links) über eine vertikale Stellung (mittags) in eine entgegengesetzte, ebenfalls wieder fast horizontale Stellung (3 rechts) am Abend. Dabei wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Wärmerohrs verhindert, dass der jeweils flüssige Anteil des Arbeitsfluids 10 aus dem Fußteil 9 in den Kopfteil 12 fließt. Obwohl sich dabei in den Extremstellungen Arbeitsfluid an den Seiten des Fußteils 9 sammelt (3 links und rechts), kann es nicht in den Kopfteil 12 fließen. Andererseits wird eine vollständige Kühlwirkung erhalten, weil die Auskleidung 11 das Arbeitsfluid gleichmäßig über den die Wärme aufnehmenden Boden des erweiterten Fußteils 9 verteilt.
  • In der Nähe des Äquators, zwischen dem nördlichen und südlichen Wendekreis (Wendekreis des Krebses und Wendekreis des Steinbocks) kann ein PV-Modul und selbst eine lange Reihe von PV-Moduln zusammen mit den zugehörigen Wärmerohren 8 parallel zum Erdboden angeordnet werden. Es ist daher sichergestellt, dass selbst bei einem eine Vielzahl von PV-Moduln überdeckenden Wärmerohr 8 das Arbeitsfluid 10 einigermaßen gleichmäßig über den Boden des Fußteils 9 verteilt ist. Dies gilt mit gewissen Einschränkungen selbst dann, wenn die Photovoltaik-Anlage jahreszeitlich nachgeführt, also die Reihe von PV-Moduln gegenüber der Horizontalen leicht geneigt oder gekippt wird. Auf größeren nördlichen oder südlichen Breitengraden schwankt aber die Neigung einer Reihe von Photovoltaik-Moduln 1 mit den Jahreszeiten und weicht sehr stark von der Horizontalen ab, so dass der flüssige Teil des Arbeitsfluids am Ende eines längeren Fußteils zusammenlaufen und eine gleichmäßige Benetzung der Wärmeübertragungsfläche des Fußteils 9 auch unter Einsatz der Auskleidung 11 nicht mehr gewährleistet würde. Es käme daher zu Überhitzungen an den Stellen, die nicht mehr ausreichend mit Arbeitsfluid benetzt sind. Es ist daher bei solchen Anlagen notwendig, den Fußteil 9 eines längeren Wärmerohrs 8 in einzelne Kam mern zu unterteilen, die je mit wenigstens einem Rohr 8 versehen sind, oder kürzere Übertragungsrohre 8 vorzusehen, wie dies schematisch in 4 gezeigt ist. Dort überdeckt der Fußteil 9 eines Wärmerohres 8 jeweils nur die Länge eines PV-Moduls 1. Kürzere Einheiten sind nicht möglich, weil es am Stoß zwischen Fußteilen 9 zu einer mangelhaften Wärmeabfuhr kommen würde.
  • Die Höhe des rohrförmigen Kopfteils 12 des Wärmerohrs 8 mit den daran befestigten Kühlrippen 13 bestimmt die Größe der wärmeabführenden Gesamtfläche und damit die erreichbare Kühlleistung des Kühlers (7). Wenn die benachbarten Kühlrippen 13 auf der äußeren Oberfläche des Rohrs 12 in einem Abstand von 1 cm befestigt sind, erreicht man bei dreißig Kühlrippen 13 mit einer Dicke von 1 mm und einer Breite von 15 cm eine wärmeabführende Fläche von 3.000 cm2. Damit kommt man bei einer Länge von 1 m auf eine Gesamtfläche von 3.000 × 30 = 90.000 cm2 = 9 m2. Dies reicht aus, die Temperatur des PV-Moduls auf Δt ≤ 20°C über der Umgebungstemperatur zu halten, selbst wenn die Sonnenaufstrahlung 1.200 W/m2 bei Windstille beträgt.
  • Damit lässt sich durch Wahl der Höhe des rohrförmigen Kopfteils 12 die mögliche Kühlleistung praktisch beliebig erhöhen. Auch kann die Anzahl der rohrförmigen Kopfteile 12 je Oberfläche des Fußteils 9 erhöht werden, wodurch wiederum die Fläche der einzelnen Kühlrippen erhöht wird. Diese Möglichkeiten verbessern drastisch die Kühlleistung und die mögliche Anpassung an die erforderliche Solar-Strahlungskonzentration und gewisse Arbeitsbedingungen der lichtbündelnden Photovoltaik-Anlage.
  • Die erfindungsgemäße Kühlanordnung lässt sich bei entsprechender konstruktiver Anpassung nicht nur bei neuen, sondern auch bei bereits vorhandenen und in Betrieb befindlichen lichtbündelnden Photovoltaik-Anlagen verwenden.
  • 5 zeigt schematisch eine lichtbündelnde Photovoltaik-Anlage, bei der als Sonnenlichtkonzentrator eine senkrecht zur Bildebene langgestreckte Fresnel-Linse 19 verwendet wird. Die über eine Drehachse 17 auf einem Fuß 14 gelagerte Kühlanordnung besteht aus einem zentralen erweiterten Fußteil 9 und symmetrisch nach oben ragenden Rohren 12 mit daran befestigten metallischen Kühlrippen 13. Die Kühlanordnung ist auf einen PV-Modul 1 aufgesteckt und mittels Federklammern 7 (1, 2) gehalten. Die Innenwände des Behälters sind mit einer Auskleidung 11 aus einem porösen Material beschichtet, und speziell, das heißt Doppel-T-förmig, ausgebildete Wände und Auskleidungen aus porösem Material 11 heben das Arbeitsfluid vom Boden des erweiterten Fußteils 9 nach oben, wo es über die metallische Platte 4 mit dem PV-Modul 1 in thermischen Kontakt kommt. Bei dieser Konstruktion wird die Wärme in gleicher Weise vom PV-Modul 1 abgeführt, wie dies oben beschrieben wurde. Bei Aufstellung der Photovoltaik-Anlage in höheren Breitengraden sollte das Kühlrohr 8 ebenso unterteilt werden, wie dies an Hand 4 beschrieben wurde.
  • Etwa die gleiche Art von Kühlanordnung lässt sich bei Photovoltaik-Anlagen verwenden, bei denen zur Lichtbündelung Parabolspiegel verwendet werden

Claims (7)

  1. Kühlanordnung für lichtbündelnde Photovoltaik-Anlagen mit einer oder einer Reihe von Photovoltaik-Vorrichtungen (PV-Zellen oder OV-Module), wobei die Kühlanordnung zur Befestigung an einer Wärmeübertragungsfläche einer PV-Vorrichtung (1) oder an den Wärmeübertragungsflächen mehrerer benachbarter PV-Vorrichtungen (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung aus einem Wärmerohr (8) besteht.
  2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (8) aufweist: einen erweiterten, an der Wärmeübertragungsfläche der zu kühlenden PV-Vorrichtung (1) zu befestigenden Fußteil (9), dessen Breite und Länge der Breite beziehungsweise Länge der Wärmeübertragungsfläche einer oder mehrerer benachbarter PV-Vorrichtungen (1) entsprechen, einen Kopfteil (12), der in direkter Verbindung mit dem Fuß (9) steht und einen kleineren Querschnitt aufweist als der Fußteil (9), so dass ein innerhalb des Wärmerohrs (8) befindliches Arbeitsfluid (10) auch dann im Fußteil (9) gehalten wird, wenn sich das Wärmerohr (8) in einer aus der vertikalen Lage, in der der Fußteil (9) unterhalb des Kopfes (12) angeordnet ist, maximal ausgelenkten Betriebsstellung befindet, und eine Auskleidung (11) aus einem offenporigen, eine Dochtwirkung entfaltenden Material, die wenigstens die Oberflächenbereiche innerhalb des Fußteils (9) bedeckt, die während des normalen Betriebs vom Arbeitsfluid (10) berührt werden können.
  3. Kühlanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidung (11) die gesamte innere Oberfläche des Wärmerohrs (8) bedeckt.
  4. Kühlanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfteil (12) des Wärmerohrs (8) als zylindrisches Rohr ausgebildet ist und an seiner äußeren Oberfläche Kühlrippen (13) befestigt sind.
  5. Kühlanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche einer Kühlrippe (13), die dem Sonnenlicht direkt ausgesetzt ist, mit einer Reflexionsschicht (20) versehen ist.
  6. Kühlanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (8) lösbar an der Wärmeübertragungsfläche der PV-Vorrichtung (1) befestigt ist.
  7. Kühlanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (8) mittels einer Lotschicht (5) und/oder mittels einer Schrauben-Mutter-Verbindung und/oder mittels eines Klammermechanismus (7) an der PV-Vorrichtung (1) befestigt ist.
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