DE112017001985T5 - Photovoltaikanlage mit uneinheitlich gekühlten photovoltaikzellen - Google Patents

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Abstract

Beschrieben sind eine Photovoltaikanlage (1) und eine zugehörige Anlage und ein Verfahren zum Kühlen einer solchen Photovoltaikanlage (1). Die Photovoltaikanlage (1) weist Photovoltaikzellen (10) auf, die nebeneinander angeordnet sind, um ein Feld (5) aus Photovoltaikzellen (10) zu bilden. Ferner beinhaltet diese eine Kühleinheit (20), die eine oder mehrere Schichten (21 bis 23) aufweist, wobei sich die Schichten (21 bis 23) gegenüber dem Feld (5) aus Photovoltaikzellen (10) erstrecken und mit diesem in thermischer Verbindung stehen, um die Zellen (10) im Betrieb zu kühlen. Die eine oder die mehreren Schichten (21 bis 23) sind derart strukturiert, dass ein Wärmewiderstand der Photovoltaikanlage (1) über das Feld (5) aus Photovoltaikzellen (10) variiert, um im Betrieb aus Photovoltaikzellen (10) des Feldes (5) Wärme mit unterschiedlichen Wärmeableitungsraten abzuleiten.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet gekühlter Photovoltaikanlagen und konkret Photovoltaikanlagen, die Photovoltaikzellen aufweisen, die nebeneinander angeordnet sind, um ein Feld aus Photovoltaikzellen zu bilden, sowie ferner Verfahren zum Kühlen solcher Photovoltaikanlagen.
  • Die nachfolgenden Definitionen werden der gesamten Beschreibung zugrunde gelegt.
  • Photovoltaik (PV) beschreibt die Erzeugung elektrischer Leistung durch Umwandeln von Sonnenstrahlung in Gleichstrom durch Halbleiter, die den photovoltaischen Effekt zeigen.
  • Bei einer Photovoltaikzelle (oder PV-Zelle, auch „Solarzelle“ oder „photoelektrische Zelle“) handelt es sich um eine Halbleitereinheit, die anhand des photovoltaischen Effekts Lichtenergie unmittelbar in Elektrizität umwandelt.
  • Bei einem Photovoltaikfeld oder einem Photovoltaikmodul (auch „Solarmodul“, „Solarpaneel“ oder „Photovoltaikpaneel“) handelt es sich um ein Aggregat aus verbundenen Photovoltaikzellen.
  • Eine Photovoltaikanlage beinhaltet typischerweise mindestens ein Modul aus Photovoltaikzellen, einen Wechselrichter und Verschaltungsverdrahtung.
  • Ein thermischer Kollektor (auch „Sonnenkollektor“) sammelt Wärme durch Absorbieren von Strahlung, typischerweise Sonnenstrahlung.
  • Bei einem Wärmetauscher oder Wärmekoppler handelt es sich um eine Einheit oder ein Ausrüstungsteil zum effizienten Übertragen von Wärme von einem Medium auf ein anderes.
  • Bei einer Wärmesenke handelt es sich um einen Wärmetauscher, der dazu dient, eine Einheit (wie beispielsweise ein Feld aus Photovoltaikzellen) durch Abführen von Wärme aus der Einheit in ein anderes Medium zu kühlen.
  • Mit gebündelter Solarenergie (auch „bündelnde Solarenergie“ oder CSP) arbeitende Anlagen verwenden Spiegel oder Linsen, die einen Strahlungsfluss einer großen Fläche auf eine kleine Fläche bündeln, derart, dass elektrische Energie (auch „Strom“) produziert werden kann, wenn gebündeltes Licht in Wärme umgewandelt wird, welche eine mit einem Stromgenerator verbundene Wärmekraftmaschine (z.B. eine Dampfturbine) antreibt. Verbreitete Formen der Bündelung sind Parabolrinne, Parabolschüssel, bündelnder linearer Fresnel-Reflektor und Solarturm.
  • Mit Konzentrator-Photovoltaik (CPV) arbeitende Anlagen verwenden optische Systeme (z.B. Linsen), um Sonnenlicht in großer Menge auf eine kleine Fläche aus photovoltaischen Materialien zu bündeln, um Elektrizität zu erzeugen. Die Bündelung gestattet die Verwendung kleinerer Flächen aus Solarzellen.
  • CPV ist nicht zu verwechseln mit CSP. Bei CSP wird gebündeltes Sonnenlicht in Wärme und anschließend Wärme in Elektrizität umgewandelt. Im Unterschied hierzu wird bei CPV gebündeltes Sonnenlicht unter Verwendung des photovoltaischen Effekts unmittelbar in Elektrizität umgewandelt.
  • Bei photovoltaisch-thermischen Hybridsonnenkollektoren (auch „hybride PV/T-Systeme“ oder PVT) handelt es sich um Anlagen, die Sonnenstrahlung in Wärme- und elektrische Energie umwandeln. Solche Systeme kombinieren Photovoltaikzellen, die Photonen in Elektrizität umwandeln, mit einem thermischen Sonnenkollektor, der die verbleibende Energie einfängt, indem er dem PV-Modul Wärme entzieht. Allgemein sind zwei Kategorien von PVT-Kollektoren bekannt, nämlich PV/T-Fluidkollektoren und PV/T-Konzentratoren.
  • Bei PV/T-Fluidkollektoren (mit Luft oder Flüssigkeit), die typischerweise wassergekühlt sind, wird im Allgemeinen von an der Rückseite eines PV-Moduls angebrachten wärmeleitenden Metallrohrleitungssystemen oder -platten Gebrauch gemacht. Bei dem Arbeitsfluid handelt es sich typischerweise um Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch. Die Wärme aus den PV-Zellen wird durch das Metall geleitet und durch das Arbeitsfluid absorbiert, was voraussetzt, dass das Arbeitsfluid kühler ist als die Betriebstemperatur der Zellen. In geschlossenen Kreisläufen wird diese Wärme entweder in die Umgebung abgegeben oder an einen Wärmetauscher übertragen, wo sie zur weiteren Nutzung ihrer Anwendung zugeführt wird. In offenen Kreisläufen wird das Arbeitsfluid nach einer Abgabe oder einer weiteren Nutzung der Wärme nicht zu den PV-Zellen zurückgeführt.
  • Bei PV/T-Konzentratoren (CPVT) wird eine Konzentratoranlage bereitgestellt, um die Menge benötigter Solarzellen zu verringern. CPVT kann im Vergleich zu flachen PV/T-Kollektoren einen sehr guten Solarwärmeertrag pro Einheit PV-Zellenfläche erreichen. Die Hauptschwierigkeiten bei CPVT bestehen allerdings darin, eine hinreichende Kühlung der Solarzellen sowie ein haltbares Nachführsystem bereitzustellen.
  • Ein Nachteil von PV-Anlagen im Vergleich zu anderen Energiequellen besteht darin, dass die direkte Sonnenstrahlung diskontinuierlich ist. Dies führt zu diskontinuierlicher Leistungsabgabe, welche einen viel geringeren Wert aufweist als Leistung nach Bedarf und zu Netzinstabilitäten führen kann. Die Speicherung elektrischer Energie z.B. in Batterien ist untragbar teuer, so dass die Kosten einer Speichereinheit für eine volle Tagesproduktion höher sein können als die für das Sonnenkraftwerk. Mit gebündelter Solarenergie arbeitende Anlagen (CSP) können die gesammelte Wärme speichern und Elektrizität nach Bedarf produzieren, bis die gespeicherte Wärme abgegeben ist. Mit Konzentrator-Photovoltaik (CPV) arbeitende Kraftwerke weisen höhere Umwandlungswirkungsgrade auf als PV- und CSP-Anlagen. Dennoch unterliegen CPV-Anlagen einer diskontinuierlichen Leistungsproduktion. Zudem hängt ihr Wirkungsgrad vom Leistungsverhalten der das Feld bzw. das Modul bildenden PV-Zellen und des zum Kühlen der PV-Zellen verwendeten Kühlsystems ab. Mit Konzentrator-Photovoltaik arbeitende thermische Anlagen (CPVT) weisen aufgrund der zusätzlichen Nutzung von Wärme einen höheren Anlagenwirkungsgrad auf.
  • CPV-Anlagen zielen darauf ab, hohe geometrische Bündelungen von Sonneneinstrahlung auf PV-Zellen zu erreichen, typischerweise in der Größenordnung von 500 bis 3.000 Sonnen. Solche Bündelungen werden typischerweise durch Facettenspiegel ermöglicht, die Licht auf eine einzige Brennebene fokussieren. Die Spiegeltopologie ist jedoch niemals perfekt. Die variierenden Brennpunkte und Akzeptanzwinkel der einzelnen Spiegel führen zu einem inhomogenen Beleuchtungsmuster auf der Brennebene. Daher können optische Mischer verwendet werden, die darauf abzielen, das Beleuchtungsmuster zu homogenisieren. Dies verringert jedoch die Bündelungseffizienz. Ein Beispiel eines kreisförmigen Beleuchtungsmusters ist in 3A gezeigt. Ein Beispiel eines homogenisierten Beleuchtungsmusters ist in 4A gezeigt. Hierbei werden Farbkonturdiagramme verwendet, und es sind jeweils die entsprechenden 3D-Diagramme gezeigt.
  • Die in CPV-Anlagen verwendeten optischen Systeme für die Bündelung ergeben im Allgemeinen eine uneinheitliche Beleuchtung auf der PV-Zelloberfläche. Eine einheitlichere Beleuchtung würde einen geringeren Wirkungsgrad mit sich bringen, da mehr optische Elemente integriert werden müssen. Um die mit dem Packen und Kühlen verbundenen Kosten zu verringern, sind Felder aus (nebeneinander angeordneten) PV-Zellen manchmal mit einer gemeinsamen Tragstruktur ausgebildet, die elektrische Zusammenschaltung und Kühlung bereitstellt. In dieser Konfiguration sind die PV-Zellen jedoch unterschiedlicher Beleuchtung ausgesetzt und besitzen daher unterschiedliche elektrische Ausgangskennlinien. Um für jede PV-Zelle die gleiche elektrische Abgabe zu erhalten, beruhen verschiedene CPV-Lösungen darauf, ein einzelnes optisches Element paarweise mit einer einzelnen PV-Zelle anzuordnen (Anlagen mit Punktfokussierung).
  • Im Vergleich zu Anlagen mit Punktfokussierung verwenden Anlagen mit dichtem Feld dicht gepackte PV-Zellen, die mehrere Zellen pro Konzentratorelement beinhalten. Solche Lösungen können somit einen Kostenvorteil bieten. In Anlagen mit dichtem Feld kann die Wärmeerzeugung höher sein als bei Anlagen mit Punktfokussierung, da pro Zelle weniger Fläche für die Wärmeabfuhr vorhanden ist. Bei geeignetem Wärmemanagement kann die in einer Anlage mit dichtem Feld erzeugte Wärme zur polyvalenten Energieerzeugung verwendet werden (d.h. die Produktion von Elektrizität, Wärme und zusätzlichen Ressourcen wie z.B. Trinkwasser- oder Luftaufbereitung), wodurch sich ein verbessertes Preis-/Leistungsverhältnis der gesamten Anlage ergibt.
  • Es wurden effiziente Kühleinheiten entwickelt, wie beispielsweise in der WO 2013/144750 A1 beschrieben, wo die Kühleinheit einen Wärmewiderstand bereitstellt, der über einen großen Bereich, auf dem PV-Zellen angebracht werden können, sehr gering und einheitlich ist. Eine solche Kühleinheit stellt ein Mittel bereit, um die Temperatur der PV-Zellen unterhalb eines erforderlichen Schwellenwerts zu halten, und zwar selbst bei hohen Sonnenstrahlungskonzentrationen. Des Weiteren gestattet diese Kühleinheit aufgrund ihres geringen Wärmewiderstands eine Rückgewinnung der erzeugten Wärme bei hohen Temperaturen, was ferner die Nutzung polyvalenter Energieerzeugung gestattet.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Gemäß einem ersten Aspekt sind eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als eine Photovoltaik- (PV-) Anlage ausgeführt. Die Anlage weist Photovoltaik-(PV-) Zellen auf, die nebeneinander angeordnet sind, um ein Feld aus PV-Zellen zu bilden. Ferner beinhaltet die Anlage eine Kühleinheit, die eine oder mehrere Schichten aufweist, wobei sich die Schichten gegenüber dem Feld aus PV-Zellen erstrecken und mit diesem in thermischer Verbindung stehen, um die Zellen im Betrieb zu kühlen. Die eine oder die mehreren Schichten sind derart strukturiert, dass ein Wärmewiderstand der PV-Anlage über das Feld aus PV-Zellen, d.h. in einer Ebene parallel zu einer durchschnittlichen Ebene des Feldes, variiert, um im Betrieb aus PV-Zellen des Feldes Wärme mit unterschiedlichen Wärmeableitungsraten abzuleiten.
  • Die vorstehend genannte Lösung ermöglicht es, Temperaturen über das Feld aus PV-Zellen zu modulieren, und kann daher verwendet werden, um Uneinheitlichkeiten in den Ausgangskennlinien jeder PV-Zelle am Punkt maximaler Leistung (oder MPP) zu senken, beispielsweise der Spannung (VMPP ) und des Stroms (IMPP ). Insbesondere kann diese Eigenschaft ausgenutzt werden, um eine Verringerung und möglicherweise Minimierung der Streuung der Ausgangsspannungen (oder VMPP -Streuung) zu gestatten. Ein Verringern der VMPP -Streuung resultiert in einer Erhöhung der minimalen VMPP , was besonders vorteilhaft ist, wenn Zellen parallelgeschaltet sind. Dies verbessert wiederum die Energieeffizienz der Anlage, wie nachstehend ausführlicher behandelt wird. Die vorliegende Lösung kann besonders in dichten Feldern aus PV-Zellen, in CPV-, CPVT- oder in hybriden PV/T-Anlagen verwendet werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen sind die eine oder die mehreren Schichten so strukturiert, dass sie ein Variieren des Wärmewiderstands über das Feld aus PV-Zellen gemäß einem vorab bestimmten Beleuchtungsprofil der PV-Zellen des Feldes gestatten.
  • Insbesondere kann es sich bei der PV-Anlage um eine CPV-Anlage handeln, die konfiguriert ist, im Betrieb Licht auf eine Fläche des Feldes aus PV-Zellen zu bündeln, wodurch ein uneinheitliches Beleuchtungsprofil der Zellen geschaffen wird. Somit können die eine oder die mehreren Schichten so strukturiert sein, dass der Wärmewiderstand über das Feld aus PV-Zellen gemäß dem uneinheitlichen Beleuchtungsprofil variiert. Bei den PV-Zellen kann es sich um Tandem-PV-Zellen handeln.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen sind die eine oder die mehreren Schichten so strukturiert, dass der Wärmewiderstand innerhalb eines Bereichs von 0,05 bis 0,7 cm2 K/W variiert, um die verschiedenen Wärmeableitungsraten über unterschiedliche Zellen des Feldes bestmöglich abzudecken. Beispielsweise kann die Differenz der durchschnittlichen lokalen Wärmewiderstände der Anlage an Stellen, die zwei bestimmten PV-Zellen des Feldes entsprechen (z.B. Zellen, die im Feld einer deutlich verschiedenen Beleuchtung unterliegen) größer als 0,1 cm2 K/W oder sogar größer als 0,2 cm2 K/W sein.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen ist der Wärmewiderstand so ausgelegt, dass dieser eine Streuung von Spannungen der Zellen am MPP wie vorstehend erwähnt begrenzt, wobei eine maximale Differenz der (einzelnen) MPP-Spannungen jeder der PV-Zellen des Feldes im Betrieb weniger als 0,2 V beträgt. Eine solche Begrenzung sorgt in der Praxis bereits für gutes Leistungsverhalten der Anlage. Das Leistungsverhalten sollte jedoch noch weiter verbessert werden, wenn die maximale Differenz im Betrieb weiter verringert wird, z.B. auf weniger als 0,1 V.
  • Aufgrund der erreichbaren Begrenzung der VMPP -Streuung können zumindest einige (wenn nicht alle) der PV-Zellen des Feldes in günstiger Weise elektrisch parallelgeschaltet werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen ist die Kühleinheit ausgelegt wie folgt. Die eine oder die mehreren Schichten, die diese aufweist, können insbesondere mindestens eine Schicht beinhalten, die ein uneinheitliches Muster aus Öffnungen oder Strukturen besitzt, z.B. Strukturen, die aus der Ebene hervorstehen. Konkret variiert das Muster aus Öffnungen oder Strukturen in einer Ebene, d.h. in einer Ebene parallel zu einer durchschnittlichen Ebene des Feldes aus PV-Zellen. Dies gestattet uneinheitlichen Wärmeaustausch (über die Öffnungen oder Strukturen) und ermöglicht wiederum ein Ableiten von Wärme an unterschiedlichen PV-Zellen des Feldes mit verschiedenen Wärmeableitungsraten.
  • Beispielsweise kann die mindestens eine Schicht lokale Dichten und/oder Abmessungen von Öffnungen oder Strukturen besitzen, die an einer Stelle gegenüber einer Mitte des Feldes größer sind als an einer oder mehreren Stellen gegenüber jeweiligen äußeren Abschnitten des Feldes, z.B. insbesondere wenn ein zentrisches Beleuchtungsmuster erwartet wird.
  • In Varianten können lokale Dichten und/oder Abmessungen von Öffnungen oder Strukturen gegenüber äußeren Abschnitten des Feldes größer sein, z.B. wenn ein homogenisiertes Beleuchtungsmuster beteiligt ist.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen umfassen die eine oder die mehreren Schichten mindestens zwei Schichten, die unterschiedliche, uneinheitliche Muster aus Öffnungen besitzen. Solche Öffnungen sind so angeordnet, dass sie eine Fluidverbindung von einer der beiden Schichten zu einer anderen der beiden Schichten gestatten. Mit anderen Worten wird durch Strukturieren zweier Schichten, z.B. zweier angrenzender Schichten der Kühleinheit, ein variierender Wärmewiderstand erreicht, um im Betrieb Wärme an unterschiedlichen PV-Zellen des Feldes mit verschiedenen Wärmeableitungsraten abzuleiten.
  • Nach Bedarf kann die Kühleinheit drei oder mehr Schichten beinhalten, welche einen Stapel aus kühlenden Mikrostrukturen bilden, und eine thermische Verbindung von einer der drei Schichten zu einer anderen der drei Schichten gestatten.
  • Beispielsweise kann das uneinheitliche Muster aus Öffnungen in einer bestimmten Schicht des Stapels konzentrische kreisförmige Schlitze aufweisen, wobei ein Zwischenraum zwischen den kreisförmigen Schlitzen in der Ebene, d.h. in einer Ebene parallel zur durchschnittlichen Ebene des Feldes, radial variiert. Ein solches Muster eignet sich gut für ein zentrisches Beleuchtungsmuster.
  • In Varianten kann ein uneinheitliches Muster aus Öffnungen durch ein eindimensionales (1D-) oder zweidimensionales (2D-) Feld aus Schlitzen erreicht werden, wobei ein Zwischenraum zwischen den Schlitzen entlang einer bestimmten Richtung in einer Ebene parallel zur durchschnittlichen Ebene des Feldes variiert. Eine solche Ausgestaltung wird vorteilhafterweise zur Anpassung an homogenisierte Beleuchtungsmuster eingesetzt. Ein 2D-Feld aus Schlitzen, das zwischen den Schlitzen einen radial variierenden Zwischenraum besitzt, kann jedoch auch für zentrische Beleuchtungsmuster verwendet werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt handelt es sich bei einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung um ein Verfahren zum Kühlen einer PV-Anlage, wobei Letztere PV-Zellen aufweist, die nebeneinander angeordnet sind, um ein Feld aus PV-Zellen zu bilden. Das Verfahren umfasst ein Kühlen der PV-Zellen durch Ableiten von Wärme aus PV-Zellen des Feldes mit unterschiedlichen Wärmeableitungsraten in Übereinstimmung mit den vorstehend genannten Prinzipien.
  • Dies kann insbesondere durch eine Kühleinheit wie vorstehend beschrieben erreicht werden, d.h. eine Kühleinheit, die eine oder mehrere Schichten aufweist, die gegenüber dem Feld aus PV-Zellen angeordnet sind und mit diesem in thermischer Verbindung stehen, wobei die eine oder die mehreren Schichten derart strukturiert sind, dass die PV-Anlage einen Wärmewiderstand aufweist, der über das Feld aus PV-Zellen variiert.
  • Beispielsweise kann es sich bei der Anlage um eine CPV-Anlage handeln, die Licht auf eine Fläche des Feldes aus PV-Zellen bündelt, wodurch ein uneinheitliches Beleuchtungsprofil der Zellen geschaffen wird. Entsprechend kann der Schritt des Kühlens der PV-Zellen gemäß dem uneinheitlichen Beleuchtungsprofil durchgeführt werden.
  • Allgemeiner kann das Kühlen der PV-Zellen gemäß einem vorab bestimmten Beleuchtungsprofil der PV-Zellen des Feldes durchgeführt werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen wird der Schritt des Kühlens so durchgeführt, dass eine Streuung von Ausgangsspannungen jeder der Zellen am MPP derart begrenzt wird, dass eine maximale Differenz der einzelnen Spannungen jeder der PV-Zellen am MPP weniger als 0,2 V und bevorzugt weniger als 0,1 V beträgt. Aufgrund der erreichbaren Begrenzung der Spannungsstreuung, können vorteilhaft zumindest einige der PV-Zellen des Feldes im Feld parallelgeschaltet werden, auch zur Durchführung vorliegender Verfahren.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen beruht der Schritt des Kühlens auf einem Umwälzen einer Flüssigkeit über ein uneinheitliches Muster aus Öffnungen der einen oder der mehreren Schichten, um über die Öffnungen einen uneinheitlichen Wärmeaustausch zu gestatten und hierdurch wiederum an unterschiedlichen PV-Zellen des Feldes Wärme mit verschiedenen Wärmeableitungsraten abzuleiten. Beispielsweise kann eine Flüssigkeit über unterschiedliche, uneinheitliche Muster aus Öffnungen zweier oder mehrerer angrenzender Schichten der einen oder der mehreren Schichten umgewälzt werden.
  • Es werden nun anhand von nicht einschränkenden Beispielen und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bildende Photovoltaikanlagen und Kühlverfahren beschrieben.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Draufsicht auf eine ein Feld aus Photovoltaikzellen zeigende Photovoltaikanlage gemäß Ausführungsformen;
    • 2 ist eine 2D-Querschnittsansicht der Anlage aus 1, die ferner eine Kühleinheit zeigt, die uneinheitlich angeordnete Strukturen aufweist, die sich gemäß Ausführungsformen unter dem Feld aus Photovoltaikzellen befinden und mit diesem in thermischer Verbindung stehen;
    • 3A bis 3D sind auf Ausführungsformen gerichtet, die sich für zentrische Beleuchtungsmuster (3A) eignen;
    • 3B zeigt ein über ein dichtes Feld aus Photovoltaikzellen gelegtes zentrisches Beleuchtungsmuster;
    • 3C bis 3D zeigen Draufsichten auf zwei Schichten einer Kühleinheit, die unterschiedliche, uneinheitliche Muster aus Öffnungen besitzen und ein Ableiten von Wärme aus unterschiedlichen Photovoltaikzellen des Feldes aus 3B mit verschiedenen Wärmeableitungsraten gestatten, wie in Ausführungsformen enthalten;
    • 4A bis 4D zeigen Ausführungsformen, die sich für nicht-zentrische Beleuchtungsmuster eignen;
    • 4A zeigt ein Beispiel eines homogenisierten Musters;
    • 4B zeigt ein solches Muster, das über ein dichtes Feld aus PV-Zellen gelegt ist;
    • 4C bis 4D zeigen Draufsichten auf zwei Schichten einer Kühleinheit, die unterschiedliche, uneinheitliche Muster aus Öffnungen besitzen, die sich zum Ableiten von Wärme aus unterschiedlichen Photovoltaikzellen des Feldes eignen;
    • 5A ist ein Graph, der eine Spannungsstreuung, wie sie typischerweise in einheitlich gekühlten Photovoltaikzellenfeldern (d.h. nicht gemäß Ausführungsformen) auftritt, in Abhängigkeit von den Temperaturen solcher Zellen darstellt;
    • 5B veranschaulicht die Temperaturabhängigkeit der Zellen als Funktion der an den Zellen erzielten Lichtbündelung unter der Voraussetzung eines hohen, einheitlichen Wärmewiderstands;
    • 6A und 6B sind Graphen ähnlich denen der 5A und 5B, erhalten mit einer einheitlichen Kühleinheit (d.h. nicht gemäß Ausführungsformen), wobei zugrunde gelegt wird, dass die Anlage einen geringen, einheitlichen Wärmewiderstand aufweist, der in einer Verringerung der Spannungsstreuung am Punkt maximaler Leistung resultiert;
    • 7A und 7B sind Graphen ähnlich denen der 5A bis B und 6A bis B, die eine uneinheitliche Kühlung (gemäß Ausführungsformen) wiedergeben, welche in einer deutlichen Verringerung der Spannungsstreuung jeder betrachteten Zelle resultiert;
    • 8A bis 8D veranschaulichen Ergebnisse, die durch einheitliches Kühlen eines zentrisch beleuchteten dichten Feldes (8B) aus Photovoltaikzellen unter Verwendung einer Kühleinheit (8A) mit einem einheitlichen Muster aus Öffnungen zur Wärmeableitung (nicht gemäß Ausführungsformen) erhalten wurden;
    • 8C und 8D zeigen entsprechende Wärmewiderstände und erhaltene Ausgangsspannungen über das Feld; und
    • 9A bis 9D veranschaulichen in ähnlicher Weise Ergebnisse, die durch uneinheitliches Kühlen eines in gleicher Weise wie in 8B zentrisch beleuchteten dichten Feldes ( 9B) aus Photovoltaikzellen unter Verwendung einer Kühleinheit (9A) mit einem uneinheitlichen Muster aus Öffnungen (gemäß Ausführungsformen) erhalten wurden.
  • Die begleitenden Zeichnungen zeigen vereinfachte Darstellungen von an Ausführungsformen beteiligten Einheiten oder Teilen davon. In den Zeichnungen abgebildete technische Merkmale sind nicht unbedingt maßstabsgetreu. Soweit nicht anders angegeben, sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • In Anlagen mit dichtem Feld ist eine Vielzahl von Photovoltaik- (PV-) Zellen in Reihen- oder Parallelschaltung elektrisch zusammengeschaltet. Gemäß der vorliegenden Lehre wurde festgestellt, dass die elektrische Abgabe des zusammengeschalteten Feldes aufgrund von Uneinheitlichkeiten in den Kennlinien jeder PV-Zelle am Punkt maximaler Leistung (MPP), beispielsweise der Spannung (VMPP ) und des Stroms (IMPP ), in ihrer Größe begrenzt ist. Des Weiteren resultiert eine uneinheitliche Beleuchtung (wie sie üblicherweise in PV-Anlagen mit dichtem Feld zu beobachten ist) auch in unterschiedlichen VMPP - und IMPP -Werten, was somit die elektrische Abgabe des zusammengeschalteten Feldes beeinträchtigt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde daher festgestellt, dass eine Modulierung der Temperatur der PV-Zellen ausgenutzt werden kann, um die Ausgangskennlinien der Zellen (am MPP) anzupassen, was besonders nützlich ist, wenn die Zellen parallelgeschaltet sind, z.B. innerhalb eines dichten Feldes aus Zellen. Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen daher einen Ansatz einer uneinheitlichen Kühlung für PV-Anlagen bereit, der es ermöglicht, Temperaturen über das PV-Zellenfeld zu modulieren und hierdurch wiederum Uneinheitlichkeiten in den Ausgangskennlinien jeder PV-Zelle zu verringern. Hierdurch kann, wie zu erkennen ist, die minimale (einzelne) MPP-Spannung der Zellen erhöht werden, was vorteilhaft ausgenutzt werden kann, wenn PV-Zellen elektrisch parallelgeschaltet sind.
  • Genauer gesagt, unterliegen bei Verwendung einer typischen Kühllösung gemäß dem Stand der Technik die einer stärkeren Beleuchtung ausgesetzten PV-Zellen einem höheren Wärmefluss, was deren Temperatur erhöht, wie es im Graph der 5B wiedergegeben ist. Dieser Graph bildet für fünf bestimmte Zellen eines PV-ZellenFeldes die Zelltemperatur in Abhängigkeit von der Lichtbündelung ab.
  • In 5B, 6B und 7B wird jeweils zugrunde gelegt, dass die Zellen („Zelle 1“ bis „Zelle 5“) an eine (unterschiedliche) Kühleinheit angeschlossen und einer gleichen, inhomogenen Beleuchtung ausgesetzt sind. Rth bezeichnet den Wärmewiderstand der gesamten PV-Anlage (einschließlich jeder Komponente auf einer Vertikalstrecke, d.h. von den Zellen bis zur Kühlflüssigkeit auf dem Niveau des Flüssigkeitseinlasses/-auslasses in dem Makrostapel, siehe z.B. 1 und 2). Der Wärmewiderstand setzt die Temperaturdifferenz ΔT zwischen PV-Zellen und dem Kühlfluid zum Wärmefluss q auf den Zellen in die Beziehung ΔT = Rthq̇", wobei q̇" die Flächendichte der Zeitableitung des Wärmeflusses q bezeichnet, d.h. die Zeitableitung des Wärmeflusses q geteilt durch die Oberfläche, die der Wärmefluss durchquert.
  • In 5A und 5B, die eine üblicherweise in Lösungen des Standes der Technik beobachtete Situation wiedergeben, sind die Unterschiede in den MPP-Spannungen der Zellen durch die uneinheitliche Lichtbündelung und die resultierenden Temperaturdifferenzen (die in diesem Beispiel eine Spanne von ungefähr 50 °C abdecken) negativ beeinträchtigt, und zwar aufgrund der Tatsache, dass die PV-Anlage einen relativ großen, einheitlichen Wärmewiderstand besitzt (in diesem Fall 0,5 cm2 K/W, siehe 5B).
  • Eine gekühlte Anlage mit dem geringstmöglichen Wärmewiderstand ist in 6A bis 6B wiedergegeben, wo Rth nun einheitlich auf 0,1 cm2 K/W gesenkt ist. Logischerweise resultiert der niedrige, einheitliche Wärmewiderstand in einer Begrenzung der Zelltemperaturen, welche nun einen Bereich von ungefähr 10 °C abdecken (6B). Dies führt auch zu einer Verringerung der VMPP -Streuung, wie in 6A veranschaulicht. Viel bessere Ergebnisse können jedoch mit Wärmewiderständen erhalten werden, die wie in 7A bis 7B wiedergegeben uneinheitlich über die Zellen variieren. Hier ist feststellbar, dass durch ein Anpassen der Eigenschaften der Kühleinrichtung z.B. auf Grundlage der uneinheitlichen Beleuchtung die Spanne der MPP-Spannungen verglichen mit den Situationen der 5 und 6 wesentlich verschmälert werden kann, auch wenn die Temperaturen der Zellen verglichen mit einer Situation wie in 6B einen größeren Bereich abdecken (siehe 7B).
  • Unter Bezugnahme auf 1 bis 4 und 9 wird nun ein Aspekt der Erfindung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beschrieben, der eine PV-Anlage 1 betrifft. Grundsätzlich weist die Anlage 1 PV-Zellen 10 auf, die nebeneinander angeordnet sind, um ein Feld 5 aus PV-Zellen zu bilden. Die Anlage 1 weist ferner eine Kühleinheit 20 auf, die eine oder mehrere Schichten 21 bis 23 beinhaltet (siehe z.B. 2), die sich gegenüber dem Feld 5 aus PV-Zellen 10 erstrecken. Die Schichten 21 bis 23 stehen mit dem Feld 5 aus PV-Zellen 10 in thermischer Verbindung, um die PV-Zellen 10 im Betrieb zu kühlen.
  • Der Schichtenstapel 21 bis 23 ist derart strukturiert, dass der Wärmewiderstand der PV-Anlage 1 uneinheitlich ist, d.h. über das Feld 5 aus PV-Zellen 10, d.h. in einer Ebene (x, y) parallel zur durchschnittlichen Ebene des Feldes 5, merklich variiert. Der variierende Wärmewiderstand ermöglicht es, aus PV-Zellen 10 des Feldes 5 im Betrieb Wärme mit für die Zellen unterschiedlichen Wärmeableitungsraten abzuleiten.
  • Wie vorstehend erläutert, ermöglicht dies ein Modulieren der Temperaturen der Zellen über das Feld aus PV-Zellen. Es kann daher eine geeignete Modulierung erreicht werden, die Uneinheitlichkeiten in den Ausgangskennlinien (VMPP , IMPP ) jeder PV-Zelle am MPP verringert und entsprechend die VMPP -Streuung der Zellen verringert (oder sogar minimiert). Ferner ist feststellbar, dass ein Verringern der VMPP -Streuung unter Aufrechterhaltung eines ähnlichen oder höheren Rth es ferner ermöglicht, die Gesamtenergieeffizienz der Anlage 1 zu verbessern.
  • Da die VMPP -Streuung (unter Umständen stark) verringert werden kann, können zudem die Zellen 10 in günstiger Weise parallelgeschaltet werden (zumindest einige von ihnen), ohne die Abgabe aller Zellen 10 negativ zu beeinträchtigen.
  • Die Oberseite der Kühleinheit 20 erstreckt sich typischerweise über eine Oberfläche, die einer Rückseite des Feldes 5, d.h. der nicht beleuchteten Seite der Zellen 10, entspricht, wie in 2. Die Kühleinheit 20 kann insbesondere eine oder mehrere Schichten 21 bis 23 (d.h. gestapelte planare Strukturen) aufweisen, die ein uneinheitliches Muster aus Öffnungen oder Schlitzen 31, 32 (oder hervorstehenden Strukturen 40) besitzen. Ein uneinheitliches Muster bedeutet, dass Öffnungen/Strukturen uneinheitlich bemessen und/oder angeordnet sind (z.B. verteilt, zueinander beabstandet), z.B. in einer Ebene parallel zum planaren Feld 5 und/oder senkrecht zu dieser Ebene, wie an späterer Stelle noch veranschaulicht wird. Mit anderen Worten ändert sich das Muster (z.B. nicht wiederkehrend) über die Zellen, um den Wärmewiderstand der Anlage 1 über das Feld 5 aus PV-Zellen 10 zu variieren. Beim hier betrachteten Wärmewiderstand handelt es sich um den der gesamten PV-Anlage 1. Die Unterschiede im Wärmewiderstand ergeben sich jedoch im Wesentlichen durch die Kühleinrichtung 20.
  • Eine „Schicht“ 21, 22, 23 der Kühleinheit entspricht typischerweise einem planaren Element, das strukturiert, bearbeitet etc. sein kann, um das gewünschte uneinheitliche Muster zu erreichen. Eine bestimmte „Schicht“ 21, 22, 23 kann beispielsweise einem bestimmten Niveau in einer Hierarchie eines hierarchischen Kühlstapels entsprechen. Es kann vorgesehen sein, dass nur eine der Schichten 21 bis 23 des Stapels (z.B. die obenliegende Schicht, die den PV-Zellen 10 am nächsten liegt), ein uneinheitliches Muster aus Öffnungen oder Strukturen besitzt. Bei Verwendung von Öffnungen (oder Schlitzen) zum Leiten einer Kühlflüssigkeit durch die Kühleinheit 20 erfordert jedoch ein uneinheitliches Muster in einer Schicht 21 zumeist auch ein uneinheitliches Muster in der angrenzenden Schicht 22, um die Kühlflüssigkeit in geeigneter Weise von einer Schicht 22 zur anderen 21 zu leiten, wie an späterer Stelle unter Bezugnahme auf 3 und 4 noch erörtert wird.
  • Auf Grundlage des erwarteten räumlichen Beleuchtungsprofils der PV-Zellen 10 des Feldes 5 kann der Wärmewiderstand vorteilhaft über die Zellen 10 variiert werden, um an bestimmten spezifischen Stellen verringert zu sein (und umgekehrt an anderen spezifischen Stellen erhöht zu sein). Somit können, wie auch in den Ausführungsformen der 2 bis 4 und 9 wiedergegeben, eine oder mehrere Schichten 21 bis 23 der PV-Anlage 1 so strukturiert sein, dass der Wärmewiderstand gemäß einem vorab bestimmten Beleuchtungsprofil über das Feld aus PV-Zellen variiert. Hierdurch kann eine spezifische Temperaturmodulierung erreicht werden, welche die VMPP -Streuung minimiert und die minimale VMPP erhöht.
  • Ein Fachmann wird verstehen, dass ein bewusstes Umsetzen höherer Wärmewiderstandswerte an einigen Stellen im Feld 5 insofern kontraintuitiv ist, als es z.B. in CPV-Anlagen der gängigen Praxis entspricht, über die PV-Zellen gleichmäßig niedrige Temperaturen aufrechtzuerhalten, um deren elektrische Wirkungsgrade zu erhöhen.
  • Insgesamt kann aufgrund einer besseren elektrischen Abstimmung von PV-Zellen und der Möglichkeit, die Gesamtkühldurchflussrate und die Pumpleistung zu senken, die vorgeschlagene Anlage 1 verglichen mit einer PV-Anlage mit einem einheitlichen, niedrigen Wärmewiderstand energieeffizienter sein. Es ist zu beachten, dass eine verbesserte elektrische Abstimmung nicht unmittelbar eine Senkung der Pumpleistung gestattet. Vielmehr kann durch Zulassen von Flächen mit hohem Rth die Gesamtpumpleistung bezogen auf die Situation, in der die gesamte Fläche einen geringen Rth besitzen muss, gesenkt werden.
  • Um die Temperatur über eine große Anzahl von Zellen (z.B. mindestens 3 × 3 Zellen, 5 × 5 Zellen oder sogar 6 × 6 Zellen) zu modulieren, können spezifische aktive Kühlschemata vorteilhaft verwendet werden, wie nachstehend unter Bezugnahme auf eine oder mehrere Ausführungsformen erörtert wird.
  • Verglichen mit einheitlichen Kühlanlagen kann die zum Betreiben der Kühleinheit 20 aufgewendete Leistung gesenkt werden (und dies bei gleichem oder besserem Gesamtleistungsverhalten der PV-Zellen), da die durchschnittliche Pumpleistung gesenkt werden kann. Tatsächlich ist in derzeit existierenden Kühleinheiten die Wärmeableitungsrate einheitlich und typischerweise dafür ausgelegt, den Kühlbedarf einer Ziel-PV-Zelle, d.h. derjenigen Zelle, die der höchsten Wärmerate unterliegt, zu decken. Infolgedessen ist die Wärmeableitungsrate für PV-Zellen, die niedrigeren Wärmeraten unterliegen, tendenziell zu hoch angesetzt. PV-Zellen, für welche die Wärmeableitungsrate zu hoch angesetzt ist, werden verglichen mit der vorstehend erwähnten Ziel-PV-Zelle eine niedrigere Zelltemperatur aufweisen, jedoch werden ihre Leistungsabgaben wahrscheinlich weit unter derjenigen der Ziel-PV-Zelle liegen. Daher wird trotz der hohen (einheitlichen) Wärmeableitungsrate die (aus der Kombination der Zellen resultierende) Gesamt-VMPP weit unter dem höchsten Einzel-VMPP -Wert (der dem der Ziel-PV-Zelle entspricht) liegen.
  • Im Unterschied hierzu wird im vorliegenden Ansatz die Wärmeableitungsrate räumlich moduliert, z.B. durch Leiten eines Flüssigkeitsstroms so, dass dieser hauptsächlich auf eine Ziel-PV-Zelle wirkt, wobei in diesem Fall im Vergleich zum vorstehend genannten Beispiel die lokale Wärmeableitungsrate für diese Ziel-PV-Zelle höher und für andere PV-Zellen niedriger ist. Daher kann die Gesamtdurchflussrate insoweit verringert werden, als die Wärmeableitungsrate für eine Ziel-PV-Zelle identisch oder geringfügig höher, für die (vielen) anderen PV-Zellen dagegen gesenkt ist. Die kombinierte VMPP (bei Parallelschaltung der PV-Zellen) wird dann der des vorstehenden Beispiels mindestens gleichen (oder besser sein als diese), wobei jedoch die Gesamtdurchflussrate der Kühlflüssigkeit verringert werden kann und daher in diesem Fall eine geringere Pumpleistung erforderlich ist.
  • Zudem ist die zum Herstellen der vorliegenden Kühleinheiten 20 erforderliche Prozesssteuerung verglichen mit einheitlichen Kühleinheiten weniger schwierig, da hohe Kühlraten über einen kleineren Bereich erforderlich sind (bei gleichen Bedingungen).
  • Die vorliegenden Lösungen können in der Erzeugung von Elektrizität aus Sonneneinstrahlung Anwendung finden und zu höheren Gesamtenergieeffizienzen führen (auf Modulebene typischerweise um einen Relativwert von mehr als 60 % erhöht verglichen mit herkömmlichen PV-Anlagen). Die vorliegenden Lösungen sind besonders für die Verwendung in dichten Feldern aus PV-Zellen, in CPV-, CPVT- oder in hybriden PV/T-Anlagen denkbar.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen handelt es sich bei der Kühleinheit 20 um eine flüssigkeitsbasierte Kühlanlage, die eine oder mehrere Schichten 21 bis 23 aufweist, die sich gegenüber dem Feld 5 aus PV-Zellen erstrecken, wobei Flüssigkeit umgewälzt werden kann, um Wärme aus dem Feld aus PV-Zellen abzuleiten, wie in den Ausführungsformen der 3 und 9 zugrunde gelegt.
  • In Varianten kann es sich bei der Kühleinheit um eine Wärmesenke handeln, die eine Wärmeableitung im Wesentlichen durch Wärmediffusion durch wärmeleitende Strukturen und möglicherweise Konvektion durch Fluidströmung innerhalb der Wärmesenke sicherstellt.
  • Hybridlösungen sind denkbar, bei denen Schichten der Einheit 20 uneinheitlich strukturiert sind, um den Wärmewiderstand über Zellen zu variieren, während andere Schichten der Einheiten Kühlflüssigkeit transportieren, um die Wärme abzuführen, wie in 2 zugrunde gelegt.
  • All diese Varianten werden nachstehend im Einzelnen erörtert.
  • Die Kühleinheit 20 kann zusätzlich zu den Schichten 21 bis 23 Wärmekopplungsstrukturen 15 aufweisen. Die Kühleinheiten 15 können in Varianten Schichten 21 bis 23 aufweisen, die sich bis zu einer Begrenzung von PV-Zellen 10 oder bis in deren Nähe erstrecken, beispielsweise wenn die PV-Zellen in ein wärmeleitendes Substrat eingebettet sind (das als Teil eines Wärmetauschers wirkt). Wärmekopplungsstrukturen 15 sind somit nicht unbedingt notwendig.
  • Die Wärmekopplungselemente 15 können Teil des PV-ZellenFeldes 5 oder einer dieses enthaltenden Oberstruktur sein. Komponenten des PV-ZellenFeldes und der Kühleinheit können miteinander verschränkt sein. Dennoch sind die Kühleinheit und das PV-Feld im Allgemeinen insofern eigenständige Komponenten, als sie typischerweise unabhängig gefertigt werden, bevor sie zusammengesetzt werden.
  • Als wichtig ist zu beachten, dass in den vorliegenden Lösungen die (lokalen) Wärmewiderstände der Anlage 1 von einer Zelle zu einer anderen messbar variieren. Solche Unterschiede sind von lokalen Unterschieden zu trennen, wie sie in einem einheitlichen Muster aus Öffnungen, Kanälen oder Schlitzen zum Wärmeaustausch wie im Stand der Technik bekannt auftreten, wo der Wärmewiderstand unterhalb der Zellebene variiert (z.B. gemäß einem regelmäßigen Gitter, dessen Stufung oder Beabstandung wesentlich geringer ist als eine typische Zellabmessung), um eine einheitliche Wärmeableitung sicherzustellen. Diese Unterscheidung ist wichtig, da auch in Standardausführungen gemäß dem Stand der Technik Unterschiede (in der Ebene) in der Wärmeableitungsrate zu beobachten sind, die schlicht in der Ausrichtung der Kanäle, Öffnungen oder Schlitze begründet sind. Diese Unterschiede sind jedoch nicht geeignet, um Abweichungen zwischen Zellen auszugleichen, z.B. Uneinheitlichkeiten im Beleuchtungsprofil oder an den PV-Zellen tatsächlich anfallende Wärmeraten.
  • Unter Bezugnahme auf 9A bis C kann die Anlage 1 in Ausführungsformen eine oder mehrere Schichten 21 bis 23 aufweisen, die derart strukturiert sind, dass der (vertikale) Wärmewiderstand innerhalb eines Bereichs von 0,05 bis 0,7 cm2 K/W variiert. Solche Werte berücksichtigen die Wärmekopplungsschichten 15. Allgemeiner berücksichtigt die Abschätzung des Wärmewiderstands alle Komponenten auf der vertikalen Strecke von der Oberfläche der PV-Zelle bis zum Inneren der Flüssigkeitseinlässe/-auslässe (einschließlich der Kühlflüssigkeit selbst), z.B. der Flüssigkeitskanäle 251 in 2. Beim hier betrachteten Wärmewiderstand handelt es sich somit um den Widerstand der gesamten Anlage 1, auch wenn Unterschiede im Wärmewiderstand über die Zellen 10 im Wesentlichen auf die Ausbildung der Kühleinheit 20 zurückzuführen sind.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen ist die Differenz der durchschnittlichen lokalen Wärmewiderstände der Anlage 1 an Stellen, die zwei bestimmten (nicht unbedingt angrenzenden) PV-Zellen 10 des Feldes 5 entsprechen, größer als 0,1 cm2 K/W oder sogar größer als 0,2 cm2 K/W. Die zwei betreffenden Zellen können beispielsweise Zellen entsprechen, die extremen Beleuchtungswerten ausgesetzt sind. Es können auch größere Unterschiede zwischen Wärmewiderständen auftreten, wie in 7B veranschaulicht (z.B. größer als 0,3 oder sogar 0,4 cm2 K/W). Es wird angemerkt, dass die Temperaturen der Zellen in 7B den Temperaturen in 7A entsprechen. Die charakteristischen Differenzen der lokalen Wärmewiderstände hängen letztlich von der Ausgestaltung der tatsächlichen Umsetzung, dem Beleuchtungsprofil, das ausgeglichen werden soll, den gewählten Materialien, ihren Abmessungen, den Flüssigkeitsdurchflussraten und einer Reihe weiterer Versuchsparameter ab. Die vorstehend genannte Untergrenze (0,1 cm2 K/W) gibt lediglich eine geeignete Größenordnung für den minimalen gewünschten Wert für zwei bestimmte Zellen des Feldes wieder. Es ist jedoch zu beachten, dass nicht alle PV-Zellen notwendigerweise unterschiedliche Wärmeableitungsraten aufweisen müssen. Es können auch geringe (oder gar keine Unterschiede) auftreten, je nach dem Beleuchtungsmuster, insbesondere für angrenzende PV-Zellen, für welche die Differenzen der Wärmewiderstände deutlich unter 0,1 cm2 K/W liegen können.
  • Unter Bezugnahme auf 7A kann nun in einer oder mehreren Ausführungsformen der Wärmewiderstand der Anlage 1 derart ausgelegt sein, dass die Streuung von (einzelnen) Ausgangsspannungen der Zellen 10 am MPP begrenzt wird. Insbesondere kann, wie auch in 7A zugrunde gelegt, die maximale Differenz der Ausgangsspannungen (am MPP) jeder der PV-Zellen 10 des Feldes 5 im Betrieb vorteilhaft weniger als 0,2 V oder sogar weniger als 0,1 V betragen. Idealerweise ist diese Differenz so gering wie möglich. Mit anderen Worten ist die Rate, mit der Wärme aus einem PV-Element 10 an einer spezifischen Stelle des Feldes 5 abgeleitet wird, an jeder Stelle 10 angepasst, um die größte Differenz am Punkt maximaler Leistung aller PV-Elemente 10 möglichst zu verringern.
  • Es wird angemerkt, dass hier von der Minimierung der Streuung der VMPP einzeln betrachteter Zellen gesprochen wird, was von der kombinierten VMPP der Zellen zu unterscheiden ist, wenn Letztere im Feld (z.B. in Parallelschaltung) verbunden sind. Da die maximale Differenz der einzelnen Ausgangsspannungen wesentlich verringert werden kann, zeigt sich, dass zumindest einige der PV-Zellen 10 (oder möglicherweise alle Zellen) im Feld 5 in günstiger Weise elektrisch parallelgeschaltet werden können.
  • Wie zuvor angemerkt, kann der Wärmewiderstand der Anlage gemäß einem vorab bestimmten, uneinheitlichen Beleuchtungsprofil variieren, um die Uneinheitlichkeit dieses Profils auszugleichen. Dies ist insbesondere für CPV-Anlagen oder ähnliche Anlagen vorteilhaft, wie nun unter Bezugnahme auf 3 und 9 erörtert. CPV-Anlagen und dergleichen beinhalten optische Elemente, z.B. Linsen, um Sonnenlicht in großer Menge auf eine kleine Fläche des Feldes 5 aus PV-Zellen 10 zu bündeln, wodurch ein uneinheitliches Beleuchtungsprofil der Zellen 10 geschaffen wird, typischerweise ein zentrisches, radiales Profil wie in 3A und 9B abgebildet. In einem solchen Fall können eine oder mehrere Schichten 21 bis 23 der Kühleinheit 20 vorteilhaft so strukturiert sein (siehe z.B. 3C, 3D und 9A), dass der Wärmewiderstand Rth in der Ebene (d.h. über das Feld aus PV-Zellen und parallel zur durchschnittlichen Ebene des Feldes 5) und in Entsprechung zum sich aus dem gebündelten Licht ergebenden uneinheitlichen Beleuchtungsprofil variiert.
  • Bei den Zellen 10 kann es sich um Tandem- (MJ-, Multi-Junction-) PV-Zellen 10 handeln. Tandemzellen weisen mehrere p-n-Übergänge auf, an denen unterschiedliche Halbleitermaterialien beteiligt sind. Jeder Halbleiter-p-n-Übergang produziert elektrischen Strom in Reaktion auf Licht verschiedener Wellenlängen. Die Verwendung mehrerer Halbleitermaterialien gestattet die Absorption eines breiteren Wellenlängenspektrums, was den energetischen Umwandlungswirkungsgrad der Zelle verbessert.
  • Gewöhnliche Solarzellen aus kristallinem Si weisen PV-Wirkungsgrade auf, die bestenfalls zwischen 20 % und 25 % liegen (ihr maximaler, theoretischer Wirkungsgrad liegt bei etwa 34 %), während MJ-Zellen PV-Wirkungsgrade von über 43 % gezeigt haben.
  • Die Anlage 1 (insbesondere eine CPV-Anlage) kann somit in einer oder mehreren Ausführungsformen vorteilhaft MJ-Zellen verwenden, um verglichen mit PV-Zellen mit einfachem Übergang wie beispielsweise Si-basierten Zellen das Sonnenspektrum besser zu nutzen. Die höheren Zellenkosten einer MJ-Zelle können durch die Verwendung bündelnder optischer Systeme zum Verringern der Zellfläche ausgeglichen werden.
  • Wie zuvor angemerkt, kann der Wärmewiderstand durch Strukturieren der Schichten 21 bis 23 variiert werden. Insbesondere kann, wie auch in 2, 3C bis 4D und 9A veranschaulicht, die Struktur 21 bis 23 mindestens eine Schicht (z.B. 21, 22) aufweisen, die ein uneinheitliches Muster aus Öffnungen 31, 32 oder Strukturen 40 besitzt, um über die Öffnungen 31, 32 oder Strukturen 40 einen uneinheitlichen Wärmeaustausch zu gestatten. Dies gestattet es wiederum, aus unterschiedlichen PV-Zellen des Feldes 5 Wärme mit verschiedenen Wärmeableitungsraten abzuleiten.
  • Ein uneinheitliches Muster aus Elementen, wie beispielsweise durch Öffnungen 31, 32, Kanäle (z.B. Schlitze) oder Strukturen 40 bereitgestellt, impliziert, dass die Abmessungen solcher Elemente 31, 32, 40 (in der Ebene und/oder außerhalb der Ebene) und/oder in der Ebene liegender Zwischenräume zwischen solchen Elementen 31, 32, 40 von einer Zelle zur anderen im Feld 5 variieren, um Wärme aus solchen Zellen mit unterschiedlichen Ableitungsraten abzuleiten. Es ist zu beachten, dass nichtsdestotrotz für mehrere Zellen lokal ein gleiches Muster aus Elementen 31, 32, 40 auftreten kann. Das heißt, es müssen nicht unbedingt für jede der Zellen unterschiedliche Muster aus Elementen vorhanden sein, da Untergruppen aus Zellen einer gleichen Wärmerate unterliegen können, was das Gesamtmuster vereinfacht. Mindestens zwei (wahrscheinlich aber mehr) PV-Zellen liegen jedoch unterschiedlichen, lokalen Mustern aus strukturierten Elementen 31, 32, 40 in einer oder mehreren Schichten 21, 22, 23 der Kühleinheit 20 gegenüber, wie in 2 bis 4 und 9 veranschaulicht.
  • Beispielsweise variiert in 3C, 3D, 4C, 4D und 9A die Flächendichte bereitgestellter Öffnungen 31, 32 von einer Zelle zur anderen in einer oder mehreren Schichten 21, 22 der Kühleinheit über eine dem Feld 5 aus Zellen gegenüberliegende Oberfläche (x, y). In 3C bis D und 9A ist die Dichte an Kühlschlitzen 31, 32 in Übereinstimmung mit dem in solchen Fällen erwarteten zentrischen, radialen Profil in der Mitte höher.
  • Allgemeiner kann die Dichte an Kühlelementen so variieren, dass der Wärmewiderstand Rth (ungefähr) umgekehrt zum an den Zellen anfallenden Wärmefluss variiert (vergleiche beispielsweise 9C und 9D). Idealerweise wird der Ausgleich so angepasst, dass sich in der Abgabe jeder Zelle einheitliche elektrische Eigenschaften ergeben, wie durch das in 9D erhaltene flache VMPP -Profil einzelner Zellen veranschaulicht.
  • In flüssigkeitsbasierten Kühleinheiten kann, wenn die Dichte an Elementen 31, 32 variiert wird, die anteilige Pumpleistung FPP (9C) so angepasst werden, dass sie mit dem Wärmeflussprofil (9D) übereinstimmt, was verglichen mit einer Situation wie in 8A bis 8B (nicht erfindungsgemäß), in der die Dichte an Kühlelementen einheitlich ist und die FPP- und Rth -Profile flach sind, in einer verringerten durchschnittlichen Pumpleistung resultieren kann. In 8A ist in Übereinstimmung mit den mit kupferbasierten Wärmesenken gemäß dem Stand der Technik erhaltenen typischen Werten ein (einheitlicher) Wert von Rth = 0,3 cm2 K/W zugrunde gelegt. Wie ferner in 8D abgebildet, variiert das resultierende VMPP-Profil der Zellen erheblich, was verglichen mit der Ausführungsform der 9A unter ansonsten gleichen Bedingungen zu schlechterem Leistungsverhalten führt.
  • Wenn ein zentrisches Beleuchtungsprofil erwartet wird (wie bei CPV-Anlagen), kann mindestens eine Schicht des Stapels 21 bis 23 lokale Dichten und/oder Abmessungen von Öffnungen 31, 32 (3 und 9) oder Strukturen 40 (2) besitzen, die an einer Stelle gegenüber einer Mitte des PV-ZellenFeldes 5 (oder jedweder Stelle, die dem Maximum des Beleuchtungsprofils entspricht) größer sind als an einer oder mehreren Stellen gegenüber jeweiligen äußeren Abschnitten des Feldes 5, wie in 3C, 3D und 9A veranschaulicht.
  • In Varianten, z.B. wenn homogenisierte Beleuchtungsprofile erwartet werden (wie in 4A bis D), können eine oder mehrere Schichten des Stapels 21 bis 23 gegenüber äußeren Abschnitten des Feldes 5 eine höhere Dichte an Öffnungen 31, 32 oder Strukturen 40 und/oder größere Abmessungen solcher Elemente 31, 32, 40 besitzen.
  • Wie zuvor angemerkt, kann der Wärmewiderstand variiert werden durch Variieren der in einer Ebene liegenden Abmessungen der Elemente 31, 32, wie in 3C und 3D, und/oder der in einer Ebene liegenden Zwischenräume zwischen solchen Elementen, wie in 4C und 4D, oder sogar der außerhalb der Ebene liegenden Abmessungen hervorstehender Strukturen 40, welche die Schicht 21 bilden, im Beispiel der 2. Verschiedene Kombinationen sind denkbar. Beispielsweise variieren in 2 sowohl die räumliche (in einer Ebene liegende) Verteilung als auch die außerhalb der Ebene liegenden Abmessungen der Elemente 40 von einer Zelle 10 zur anderen, um Uneinheitlichkeiten des erwarteten Beleuchtungsprofils in geeigneter Weise auszugleichen.
  • Zudem ist festzustellen, dass ein uneinheitliches Muster in einer Schicht (etwa der Schicht 21) ein uneinheitliches Muster in einer angrenzenden Schicht 22 erfordern kann, um einwandfreies Leiten von Flüssigkeit von einer Schicht 22 zur anderen 21 sicherzustellen, wie in 3C und 3D (zentrisches Beleuchtungsprofil) und in 4C und 4D (homogenisiertes Beleuchtungsprofil) veranschaulicht.
  • Im Beispiel der 3C bis 3D bilden die Öffnungen 31, 32 (in jeweiligen Schichten 21, 22) ein uneinheitliches, radiales Muster in Übereinstimmung mit dem erwarteten Beleuchtungsprofil. Insbesondere weist die Schicht 21 konzentrische kreisförmige Schlitze auf, wobei ein Zwischenraum zwischen den kreisförmigen Schlitzen radial in einer Ebene mit der Schicht 21 variiert, d.h. der Zwischenraum in einer Ebene (x, y) parallel zur durchschnittlichen Ebene des Feldes 5 moduliert ist. Das heißt, die Dichte an Kühlelementen variiert auf der Oberfläche der Schicht 21 radial, wie in 9A, wo die Flächendichte an vertikalen Schlitzen an den Rändern verglichen mit der Mitte verringert ist.
  • Im Beispiel der 4C bis 4D bilden die Öffnungen 31, 32 ein 1D-Feld (4D) oder ein 2D-Feld (4C) aus Schlitzen, wobei ein Zwischenraum zwischen den Schlitzen entlang einer bestimmten Richtung (x oder y) in einer Ebene mit der Schicht 22 variiert.
  • In jeder der Ausführungsformen der 3C bis 3D und 4C bis 4D ist das Kühlmuster an das Beleuchtungsmuster und/oder die gewünschte Betriebstemperatur der spezifischen PV-Zellen angepasst. Die Ausrichtungen und Abmessungen der Kühlkanäle, die Flüssigkeitsdurchflussraten und die Wärmekopplungen sind aufgrund der hierarchischen Anordnung der Niveaus 21 bis 23 und gemäß einer bestimmten Kühlstrukturhierarchie über die Ausbildung der Kühleinheit 20 gesteuert. Bei den Schlitzen handelt es sich um Durchgangsöffnungen, die eine Fluidverbindung von einer Schicht 21 zur anderen 22 gestatten. Beispielsweise sind in Schicht 22 die Öffnungen 32 in Übereinstimmung mit den Schlitzen 31 der oberen Schicht 21 angeordnet, um eine einwandfreie Flüssigkeitsverteilung sicherzustellen. In einer nächsten Schicht unterhalb der Schicht 22 (nicht gezeigt) können zusätzliche Schlitze/Kanäle bereitgestellt sein, um ein geeignetes Leiten der Flüssigkeit sicherzustellen. Zusätzliche Strukturen müssen bereitgestellt werden, um die Flüssigkeit auf der Schicht 21 (nicht gezeigt) zu begrenzen. In Varianten kann es sich bei den Schlitzen 31 in der Schicht 21 um Blindschlitze handeln, die an der Oberseite verschlossen sind, derart, dass die Flüssigkeitsumwälzung durch die Schicht 21 begrenzt wird.
  • Allgemeiner kann eine PV-Anlage 1 gemäß Ausführungsformen zwei (oder mehr) Schichten 21, 22 aufweisen, die unterschiedliche, uneinheitliche Muster aus Öffnungen 31, 32 besitzen, die so angeordnet sind, dass sie eine Fluidverbindung von einer der beiden Schichten zu einer anderen der beiden Schichten gestatten und hierdurch wiederum Wärme an unterschiedlichen PV-Zellen 10 des Feldes 5 mit verschiedenen Wärmeableitungsraten ableiten. Auf diese Weise kann Flüssigkeit durch den gesamten Schichtenstapel 21 bis 23 umgewälzt werden, um über die Zellen uneinheitliche Wärmeableitungen sicherzustellen, wie in den Ausführungsformen der 3, 4 und 9.
  • Zusätzliche nützliche Informationen betreffend mögliche Anordnungen und Zusammenschaltungen der Öffnungen (oder Kanäle) können der WO 2013/144750 A1 entnommen werden. Natürlich ist die Lehre der WO 2013/144750 A1 entsprechend anzupassen, um die im vorliegenden Kontext benötigten uneinheitlichen Muster zu berücksichtigen.
  • Beispielsweise kann die Kühleinheit 20 zwei Fluidkreisläufe (mit jeweiligem Einlass und Auslass) beinhalten. Jeder dieser Kreisläufe kann eine spezifische Anordnung aus Öffnungen und Kanalabschnitten aufweisen, wobei sich Kanalabschnitte, wie in der WO 2013/144750 A1 beschrieben, nach einem selbstähnlichen Muster in Gruppen aus gedrehten Kanalabschnitten unterteilen. Die in einer Ebene liegenden Abmessungen von und/oder Zwischenräume zwischen solchen Öffnungen und Kanalabschnitten können angepasst sein, um uneinheitliche Muster zu schaffen, um den Wärmewiderstand der Anlage 1 über das Feld 5 aus PV-Zellen 10 in geeigneter Weise zu variieren.
  • Beispielsweise kann die Anordnung aus Öffnungen und Kanalabschnitten eine Baumstruktur bilden, deren Äste Öffnungen darstellen und deren Knotenpunkte die Kanalabschnitte darstellen. Ferner erstreckt sich jeder Kreislauf durch L Niveaus der Baumstruktur L ≥ 3, und steht mit dem anderen Kreislauf über Blattkanalabschnitte, die also Blattknoten des Baums entsprechen, in Fluidverbindung. Für jeden Kreislauf verlaufen Kanalabschnitte, die gleichgeordneten Knoten entsprechen, parallel zueinander, wohingegen sie nicht parallel zu einem Kanalabschnitt verlaufen, der einem den gleichgeordneten Knoten übergeordneten Knoten entspricht. Schließlich können Kanalabschnitte eines Fluidkreislaufs parallel zu Kanalabschnitten des anderen Kreislaufs verlaufen und mit diesen verflochten sein. Weitere Einzelheiten können der WO 2013/144750 A1 entnommen werden.
  • Mit einer Struktur wie der vorstehend beschriebenen kann auf dem Niveau der PV-Zellen oder eines die PV-Zellen einbettenden Substrats oder auf dem Niveau eines Wärmetauschers 15 oder einer Wärmekopplungsstruktur, die mit den PV-Zellen in unmittelbarem thermischem Kontakt steht, eine dichte und (bei geeigneter Anpassung an den vorliegenden Kontext) uneinheitliche Anordnung aus Öffnungen erreicht werden.
  • In einfacheren (wenn auch weniger effizienten) Varianten kann auf einfachere wärmeleitende Strukturen 40 zurückgegriffen werden, wie in der Ausführungsform der 2, wobei Wärme letztlich aufgrund einer einfacheren Flüssigkeitsumwälzung abgeleitet wird.
  • In der Ausführungsform der 2 bilden die drei Schichten 21, 22, 23 einen hierarchischen Stapel aus kühlenden Mikrostrukturen und gestatten eine thermische Verbindung von einer der drei Schichten zu einer anderen der drei Schichten. Die Zellen 10 sind in ein Substrat (oder einen Körper) 27 eingebettet. Der hierarchisch geordnete Stapel 21 bis 23 aus kühlenden Mikrostrukturen ist in den Körper 27 eingebettet, der wiederum durch einen weiteren Körper 25 getragen wird. In den Tragekörper 25 sind Flüssigkeitsleitungen 251 zur Wärmeableitung integriert, wodurch ein kühlender Makrostruktur-Stapel gebildet wird. Die Ausführungsform der 2 kann somit als hybride wärmesenken-/flüssigkeitsbasierte Kühllösung betrachtet werden.
  • Unter den Zellen 10 befinden sich Wärmekoppler (oder Wärmetauscher) 15, wobei die Wärmekoppler 15 des Weiteren mit dem PV-Zellensubstrat in Kontakt stehen.
  • Der hierarchische Kühlstapel 21 bis 23 ist aus L ≥ 3 unterschiedlichen Niveaus von Kühlstrukturen zusammengesetzt, wobei das erste Niveau 21 mit den Wärmekopplern 15 in engem thermischem Kontakt steht. Das letzte Niveau 23 ist mit dem Makrostruktur-Stapel 25 verbunden. Es wird zugrunde gelegt, dass die beleuchtete Fläche im Wesentlichen das gesamte PV-Zellenfeld 5 abdeckt, dessen seitliche Abmessungen im Wesentlichen mit denen der Körper 25 und 27 übereinstimmen. Aus Gründen einer übersichtlichen Darstellung ist die Anzahl an Zellen in diesem Beispiel freilich begrenzt. Ferner sind die verschiedenen abgebildeten Komponenten nicht maßstabsgetreu.
  • In der Praxis enthalten Einheiten zumeist mehr Zellen, die typischerweise in einem 3 × 3-, 4 × 4-, 5 × 5- oder 6 × 6-Feld angeordnet sind. Größere Felder sind ebenfalls möglich. Eine typische Kantenlänge einer einzelnen Zelle in der (x, y)-Ebene beträgt zwischen 5 mm und 20 mm, und der Abstand zwischen den Kanten angrenzender Zellen kann im Bereich zwischen 50 µm und 300 µm liegen. Bei den PV-Zellen kann es sich, wie vorstehend erwähnt, um MJ-Zellen handeln, darunter beispielsweise solche, die Ge, InGaAs und InGaP aufweisen. Die Zellen sind typischerweise über eine elektrisch leitende Zwischenschicht (nicht gezeigt), die jeweilige Bodenelektroden der PV-Zellen zusammenschaltet, an den Körper 27 gefügt.
  • Die elektrisch leitende Schicht kann aus einem Metall wie beispielsweise Kupfer bestehen, das durch dem Fachmann bekannte Verfahren wie beispielsweise galvanische Beschichtung, Kleben oder mechanisches Pressen an der Oberseite des Körpers 27 angebracht wird. In Ausführungsformen kann die leitende Kupferschicht als eine Gruppe aus Wärmekopplern 15 ausgeführt sein. Die Stirnelektroden der PV-Zellen können über bekannte Prozesse zusammengeschaltet werden, darunter Schweißen, Löten und Draht- oder Streifenbonden unter Verwendung von Gold- oder Silberdrähten/-streifen, oder andere Metallzwischenverbindungen. Der Körper 27 wird typischerweise aus einer Schichtstruktur gefertigt, die Schichten aus Silicium und/oder Glas aufweist. Die einzelnen Schichten der Schichtstruktur werden unter Verwendung bewährter Bondingprozesse zusammengefügt, darunter Anschmelzen, anodisches Bonden oder eutektisches Bonden.
  • In Ausführungsformen kann der Körper 27 durch additive Herstellungstechniken unter Verwendung von Metallen und Legierungen wie beispielsweise rostfreiem Stahl, Nickel oder Titan produziert werden. Der Körper 25 kann aus einem Konstruktionskunststoff hergestellt werden, darunter, ohne auf diese beschränkt zu sein, Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyoxymethylen-Kunststoff (POM) oder Polyphenylensulfid (PPS). Die Körper 27 und 25 können unter Verwendung bewährter, dem Fachmann bekannter Klebeprozesse zusammengefügt werden, darunter, ohne auf diese beschränkt zu sein, einteilige Klebstoffe, Mehrkomponentenklebstoffe oder Haftklebstoffe.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Erfindung als Verfahren zum Kühlen einer PV-Anlage ausgeführt sein. Aspekte eines solchen Verfahrens wurden zuvor bereits unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 und 9 genannt. Dieses Verfahren gilt grundsätzlich für eine PV-Anlage, die PV-Zellen 10 aufweist, die nebeneinander angeordnet sind, um ein Feld 5 aus PV-Zellen 10 zu bilden, wie in 1 abgebildet. Das Verfahren beinhaltet im Wesentlichen ein Kühlen der PV-Zellen 10 durch Ableiten von Wärme aus PV-Zellen 10 des Feldes 5 mit unterschiedlichen Wärmeableitungsraten. Das heißt, in Übereinstimmung mit bisher beschriebenen Prinzipien wird Wärme mit von einer Zelle 10 zur anderen unterschiedlichen Wärmeableitungsraten abgeleitet.
  • In Ausführungsformen wird der Schritt des Kühlens der PV-Zellen 10 durch eine Kühleinheit 20 wie zuvor beschrieben durchgeführt, d.h. eine Einheit, die eine oder mehrere Schichten 21 bis 23 aufweist, die sich gegenüber dem Feld 5 aus PV-Zellen 10 erstrecken und mit diesem in thermischer Verbindung stehen. In Übereinstimmung mit dem vorstehend Gesagten sind die Schichten 21 bis 23 in geeigneter Weise so strukturiert, dass die Anlage 1 einen Wärmewiderstand besitzt, der über die Zellen 10, d.h. in einer Ebene (x, y) parallel zu einer durchschnittlichen Ebene des Feldes 5, variiert.
  • Bei der Anlage 1 kann es sich insbesondere um eine CPV-Anlage oder eine Hybridanlage handeln. In einer oder mehreren Ausführungsformen wird die Kühlung gemäß einem vorab bestimmten Beleuchtungsprofil der PV-Zellen 10 des Feldes 5 durchgeführt, z.B. einem zentrischen oder homogenisierten Profil. Wie in 7A veranschaulicht, kann, wie zuvor erörtert, die Kühlung so durchgeführt werden, dass eine Streuung von Ausgangsspannungen der Zellen 10 am MPP derart begrenzt wird, dass eine maximale Differenz der Spannungen am Punkt maximaler Leistung aller PV-Zellen 10 des Feldes 5 weniger als 0,2 V oder sogar weniger als 0,1 V betragen kann. Dank der verringerten Streuung können PV-Zellen 10 in günstiger Weise parallelgeschaltet werden.
  • Es kann eine flüssigkeitsbasierte Kühlanlage verwendet werden, die ein Umwälzen einer Flüssigkeit über uneinheitliche Muster aus Öffnungen 31, 32 über die Schichten 21 bis 23 der Kühlanlage 20 gestattet, um über die Öffnungen 31, 32 einen uneinheitlichen Wärmeaustausch zu gestatten und hierdurch wiederum an unterschiedlichen PV-Zellen 10 des Feldes 5 Wärme mit verschiedenen Wärmeableitungsraten abzuleiten. Wie zuvor unter Bezugnahme auf die 3 bis 4 erörtert, kann ein Kühlen der PV-Zellen 10 insbesondere ein Umwälzen einer Flüssigkeit über unterschiedliche, uneinheitliche Muster aus Öffnungen 31, 32 zweier angrenzender Schichten 21, 22 oder mehr des Schichtenstapels 21 bis 23 beinhalten.
  • Die vorstehenden Ausführungsformen wurden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen kurz beschrieben und können eine Reihe von Varianten umfassen. Es sind verschiedene Kombinationen der vorstehend genannten Merkmale denkbar. Insbesondere können unter Bezugnahme auf PV-Anlagen beschriebene Varianten auch für Kühlverfahren genutzt werden und umgekehrt.
  • Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine begrenzte Anzahl an Ausführungsformen, Varianten und die begleitenden Zeichnungen beschrieben wurde, versteht ein Fachmann, dass verschiedene Änderungen und gleichwertige Ersetzungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Insbesondere kann ein in einer bestimmten Ausführungsform oder einer Variante genanntes oder in einer Zeichnung gezeigtes (vorrichtungs- oder verfahrensbezogenes) Merkmal mit einem anderen Merkmal einer anderen Ausführungsform, Variante oder Zeichnung kombiniert werden oder dieses ersetzen, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es sind entsprechend verschiedene Kombinationen der in Bezug auf jegliche der vorstehenden Ausführungsformen oder Varianten beschriebenen Merkmale denkbar, welche ebenfalls im Umfang der beiliegenden Ansprüche liegen. Zudem können vielerlei kleinere Abwandlungen vorgenommen werden, um bestimmte Gegebenheiten oder ein bestimmtes Material an die Lehre der vorliegenden Erfindung anzupassen, ohne von deren Umfang abzuweichen. Die vorliegende Erfindung soll daher nicht auf die jeweils offenbarte Ausführungsform beschränkt sein, sondern sämtliche Ausführungsformen beinhalten, die im Umfang der beiliegenden Ansprüche umfasst sind. Beispielsweise kann die Kühleinheit 20 eine Vielzahl verschiedener Verteilerschichtausbildungen umfassen, und es könnten andere Abmessungen/Materialien verwendet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2013/144750 A1 [0020, 0091, 0092, 0093]

Claims (25)

  1. Photovoltaikanlage, die Folgendes aufweist: Photovoltaikzellen, die nebeneinander angeordnet sind, um ein Feld aus Photovoltaikzellen zu bilden; sowie eine Kühleinheit, die eine oder mehrere Schichten aufweist, die sich gegenüber dem Feld aus Photovoltaikzellen erstrecken und mit diesem in thermischer Verbindung stehen, wobei die Kühleinheit dafür ausgelegt ist, die Zellen im Betrieb zu kühlen; wobei die eine oder die mehreren Schichten derart konfiguriert sind, dass ein Wärmewiderstand der Photovoltaikanlage über das Feld aus Photovoltaikzellen variiert, um im Betrieb aus Photovoltaikzellen des Feldes Wärme mit unterschiedlichen Wärmeableitungsraten abzuleiten.
  2. Photovoltaikanlage nach Anspruch 1, wobei: die eine oder die mehreren Schichten derart konfiguriert sind, dass der Wärmewiderstand über das Feld aus Photovoltaikzellen gemäß einem vorab bestimmten Beleuchtungsprofil der Photovoltaikzellen des Feldes variiert.
  3. Photovoltaikanlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei: die eine oder die mehreren Schichten derart konfiguriert sind, dass der Wärmewiderstand innerhalb eines Bereichs von 0,05 bis 0,7 cm2 K/W variiert.
  4. Photovoltaikanlage nach Anspruch 3, wobei: die Differenz durchschnittlicher lokaler Wärmewiderstände der Anlage an Stellen, die zwei Photovoltaikzellen des Feldes entsprechen, größer ist als 0,1 cm2 K/W
  5. Photovoltaikanlage nach Anspruch 4, wobei: die Differenz durchschnittlicher lokaler Wärmewiderstände größer ist als 0,2 cm2 K/W
  6. Photovoltaikanlage nach Anspruch 1, wobei: der Wärmewiderstand ausreichend ist, um eine Streuung von Spannungen der Zellen an einem Punkt maximaler Leistung derart zu begrenzen, dass eine maximale Differenz der Spannungen am Punkt maximaler Leistung jeder der Photovoltaikzellen des Feldes im Betrieb weniger als 0,2 V beträgt.
  7. Photovoltaikanlage nach Anspruch 6, wobei: die maximale Differenz im Betrieb weniger als 0,1 V beträgt.
  8. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei: zumindest einige der Photovoltaikzellen im Feld elektrisch parallelgeschaltet sind.
  9. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei: es sich bei der Anlage um eine mit Konzentrator-Photovoltaik arbeitende Anlage handelt, die konfiguriert ist, im Betrieb Licht auf eine Fläche des Feldes aus Photovoltaikzellen zu bündeln und dadurch ein uneinheitliches Beleuchtungsprofil der Zellen zu schaffen; und wobei die eine oder die mehreren Schichten derart konfiguriert sind, dass der Wärmewiderstand über das Feld aus Photovoltaikzellen gemäß dem uneinheitlichen Beleuchtungsprofil variiert.
  10. Photovoltaikanlage nach Anspruch 9, wobei: es sich bei den Zellen um Tandem-Photovoltaikzellen handelt.
  11. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei: die eine oder die mehreren Schichten mindestens eine Schicht aufweisen, die ein uneinheitliches Muster aus Öffnungen oder Strukturen besitzt, um über die Öffnungen oder Strukturen einen uneinheitlichen Wärmeaustausch zu gestatten und hierdurch wiederum an unterschiedlichen Photovoltaikzellen des Feldes Wärme mit verschiedenen Wärmeableitungsraten abzuleiten.
  12. Photovoltaikanlage nach Anspruch 11, wobei: die mindestens eine Schicht lokale Dichten und/oder Abmessungen von Öffnungen oder Strukturen besitzt, die an einer Stelle bezüglich einer Mitte des Feldes größer sind als an einer oder mehreren Stellen bezüglich jeweiligen äußeren Abschnitten des Feldes.
  13. Photovoltaikanlage nach Anspruch 11 oder 12, wobei: die eine oder die mehreren Schichten mindestens zwei Schichten aufweisen, die unterschiedliche, uneinheitliche Muster aus Öffnungen besitzen, die eine Fluidverbindung von einer der beiden Schichten zu einer anderen der beiden Schichten gestatten, um im Betrieb Wärme an unterschiedlichen Photovoltaikzellen des Feldes mit verschiedenen Wärmeableitungsraten abzuleiten.
  14. Photovoltaikanlage nach Anspruch 11, wobei: die eine oder die mehreren Schichten mindestens drei Schichten aufweisen, die einen Stapel aus kühlenden Mikrostrukturen bilden und eine thermische Verbindung von einer der drei Schichten zu einer anderen der drei Schichten gestatten.
  15. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei: das uneinheitliche Muster aus Öffnungen konzentrische, kreisförmige Schlitze aufweist, wobei ein Zwischenraum zwischen den kreisförmigen Schlitzen radial in einer Ebene parallel zur durchschnittlichen Ebene des Feldes aus Photovoltaikzellen variiert.
  16. Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei: das uneinheitliche Muster aus Öffnungen ein eindimensionales oder zweidimensionales Feld aus Schlitzen aufweist, wobei ein Zwischenraum zwischen den Schlitzen entlang einer bestimmten Richtung in einer Ebene parallel zur durchschnittlichen Ebene des Feldes aus Photovoltaikzellen variiert.
  17. Verfahren zum Kühlen einer Photovoltaikanlage, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Anordnen von Photovoltaikzellen nebeneinander, um ein Feld aus Photovoltaikzellen zu bilden, und Kühlen der Photovoltaikzellen durch Ableiten von Wärme aus Photovoltaikzellen des Feldes mit unterschiedlichen Wärmeableitungsraten.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei: das Kühlen der Photovoltaikzellen durch eine Kühleinheit durchgeführt wird, die eine oder mehrere Schichten aufweist, die gegenüber dem Feld aus Photovoltaikzellen angeordnet sind und mit diesem in thermischer Verbindung stehen, wobei die eine oder die mehreren Schichten derart strukturiert sind, dass die Photovoltaikanlage einen Wärmewiderstand aufweist, der über das Feld aus Photovoltaikzellen variiert.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei: das Kühlen der Photovoltaikzellen gemäß einem vorab bestimmten Beleuchtungsprofil der Photovoltaikzellen des Feldes durchgeführt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei: das Kühlen der Photovoltaikzellen so durchgeführt wird, dass eine Streuung von Spannungen der Zellen an einem Punkt maximaler Leistung derart begrenzt wird, dass eine maximale Differenz der Spannungen am Punkt maximaler Leistung jeder der Photovoltaikzellen des Feldes weniger als 0,2 V beträgt.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei: das Kühlen der Photovoltaikzellen derart durchgeführt wird, dass die maximale Differenz weniger als 0,1 V beträgt.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei: zumindest einige der Photovoltaikzellen im Feld elektrisch parallelgeschaltet werden.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei: das Kühlen der Photovoltaikzellen ein Umwälzen einer Flüssigkeit über ein uneinheitliches Muster aus Öffnungen der einen oder der mehreren Schichten umfasst, um über die Öffnungen einen uneinheitlichen Wärmeaustausch zu gestatten und hierdurch wiederum an unterschiedlichen Photovoltaikzellen des Feldes Wärme mit verschiedenen Wärmeableitungsraten abzuleiten.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei: das Kühlen der Photovoltaikzellen ein Umwälzen einer Flüssigkeit über unterschiedliche, uneinheitliche Muster aus Öffnungen zweier angrenzender Schichten der einen oder der mehreren Schichten umfasst.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, wobei: es sich bei der Photovoltaikanlage um eine mit Konzentrator-Photovoltaik arbeitende Anlage handelt, die konfiguriert ist, Licht auf eine Fläche des Feldes aus Photovoltaikzellen zu bündeln und dadurch ein uneinheitliches Beleuchtungsprofil der Zellen zu schaffen; und das Kühlen der Photovoltaikzellen gemäß dem uneinheitlichen Beleuchtungsprofil durchgeführt wird.
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