DE3831631A1

DE3831631A1 - Solarzellen mit kuehlvorrichtung

Info

Publication number: DE3831631A1
Application number: DE3831631A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Floedl; Stefan Roy
Original assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1988-09-17
Filing date: 1988-09-17
Publication date: 1990-03-29

Description

Die Erfindung betrifft ein Solarzellenmodul mit einer Vorrichtung zur Wärmeabfuhr.

Der Wirkungsgrad eines Solarzellenmoduls hängt neben anderen Faktoren auch von der Temperatur der Solarzel len ab. Die Leerlaufspannung und somit auch die maximal entnehmbare Leistung sinkt mit zunehmender Temperatur. Steigt beispielsweise die Solarzellentemperatur auf ca. 70°C, nimmt der Wirkungsgrad um ca. 22% bezogen auf eine Temperatur von 25°C ab, das heißt, beträgt der Wirkungsgrad bei 25°C ca. 14,0%, so fällt er bis auf ca. 10,9% bei einer Temperatur von 70°C. Deshalb ist beim Aufbau von Solarzellenmodulen auf möglichst gute Kühlung der Solarzellenanordnung zu achten.

Durch eine entsprechende Wahl des Aufstellungsortes einer Solarzellenanordnung läßt sich schon durch Wind eine merkliche Kühlung erzielen. Zur weiteren Verbesse rung der Wärmeabfuhr aus dem Solarzellenmodul ist vor geschlagen worden, die Rückseitenemission durch blaue oder schwarze Flächen zu verbessern, oder das Solarzel lenmodul in einer Doppelglasausführung mit beidseitig lichtempfindlichen Solarzellen so herzustellen, daß die Solarzellen für IR-Strahlung durchsichtig werden. Bei der letztgenannten Lösung ist mit einer Temperaturer niedrigung der Solarzelle von ca. 10°C zu rechnen, was einer Wirkungsgradverbesserung von ca. 5% entspricht.

Schließlich kann auch durch eine gute Hinterlüftung des Solarzellenmoduls mittels einer Abdeckplatte zur Erzeu gung eines Kaminzug-Effektes der Wirkungsgrad verbes sert werden. Der Nachteil dieser genannten Lösungsvor schläge besteht darin, daß mit ihnen keine wesentlichen Wirkungsgradverbesserungen erzielbar sind, daß also die Wärme nur unzureichend aus dem Modul abgeführt wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein So larzellenmodul mit einer Vorrichtung zur Wärmeabfuhr der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem durch einen einfachen Aufbau eine nahezu vollständige Wärme abfuhr aus dem Solarzellenmodul gewährleistet ist.

Die Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Solarzellenmoduls besteht darin, daß die Kapazität des als Wärmespeicher wirkenden Kühlmittels zur Speicherung der gesamten im Solarzellenmodul entstehenden Wärme während der maxima len Dauer der Sonneneinstrahlung eines Tages ausreicht. In der anschließenden Phase, während der das Solarzel lenmodul durch die Sonne nicht mehr bestrahlt wird, beispielsweise in der Nacht, gibt das Kühlmittel die gespeicherte Wärme wieder ab, so daß zum Beginn der nächsten Sonnenscheinphase die entstehende Wärme erneut gespeichert wird. Ferner ist diese Vorrichtung zur Wär meabfuhr ohne großen technischen Aufwand herstellbar, so daß nur geringe Mehrkosten anfallen. Schließlich muß der Anwender auch keine besonderen Vorkehrungen oder Maßnahmen bei der Installation treffen, da die Dicke der erfindungsgemäßen Solarzellenmodule nur gering grö ßer als die Dicke der üblichen mit Rahmen hergestellten Module ist. Jedoch sind die Gestelle zur Befestigung der Solarzellenmodule statischen Erfordernissen anzu passen.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung, ist der das Kühlmittel aufnehmende Raumteil an der Rücksei te des Solarzellenmoduls mittels Trennwände in mehrere Kammern aufgeteilt, um hierdurch eine gleichmäßige Ab fuhr der Wärme über der gesamten Rückseitenfläche des Solarzellenmoduls zu erzielen und gleichzeitig die Rück seitenabdeckung des Gehäuses statisch zu sichern.

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Er findung besteht das Kühlmittel aus Natriumsulfat-Deca hydrat und einer wässrigen Lösung aus Natrium- und Sul fationen, das bei einer endothermen Reaktion ab 32,383°C Wasser freisetzt. Während der Sonnenbestrah lung erwärmt sich daher das Solarzellenmodul nur wenig über eine Temperatur von 33°C.

Schließlich ist zur verbesserten Wärmeabfuhr bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausbildung eines Solarzel lenmoduls das Gehäuse aus Edelstahl hergestellt, wobei gemäß einer anderen Ausbildungsform der Erfindung die Rückseite des Gehäuses dunkel, beispielsweise schwarz oder blau, ausgebildet ist, um zusätzlich eine Wärmeab fuhr durch Rückseitenemission zu erreichen, wodurch der Wirkungsgradverlust vernachlässigbar sein dürfte.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles unter Zuhilfenahme der Zeichnung näher erläutert wer den. Es zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Solarzellenmoduls, und

Fig. 2 ein Temperatur-Zeit-Diagramm eines erfindungs gemäßen Solarzellenmoduls als auch eines So larzellenmoduls ohne eine Vorrichtung zur Wärmeabfuhr.

Das Solarzellenmodul 1 gemäß Fig. 1 ist in ein Laminat eingebettet und weist auf der Rückseite 3 eine Kunst stoff- oder Aluminiumplatte 7 auf, an die sich ein Raum teil 5, der mit einem Kühlmittel 2 gefüllt ist, so an schließt, daß die gesamte Rückseitenfläche 3 von diesem Kühlmittel 2 bedeckt ist. Das Solarzellenmodul 1 ist mit dem Kühlmittel 2 in einem haubenförmigen Gehäuse 4 so angeordnet, daß das Solarzellenmodul 1 mit einer Deckscheibe 8 das Gehäuse abschließt. Der von dem Ge häuse 4 umschlossene Raumteil 5 ist durch mehrere Trenn wände 6 in Kammern aufgeteilt. Das Gehäuse 4 kann aus Edelstahl gefertigt und mit dunkler Farbe zwecks besse rer Rückseitenemission dunkel eingefärbt sein. Als Kühl mittel kann direkt Natriumsulfat-Decahydrat (Na₂SO₄× 10 H₂O) oder eine erwärmte Menge dieses Salzes in die Kammern eingefüllt werden.

Nun wird anhand der Fig. 2 die Funktion des als Wärme speicher wirkenden Kühlmittels erläutert. Das Glauber salz besitzt die Eigenschaft, daß es sich bei einer Temperatur von 32,383°C endotherm mit einer Energie von - 18,76 Kcal pro Mol reagiert und dadurch Wasser freisetzt. Durch die auf der Vorderseite des Solarzel lenmoduls eingestrahlte Sonnenenergie erwärmen sich die Solarzellen und erreichen, falls die Wärme nicht abge führt wird, schon nach kurzer Bestrahlung eine Tempera tur von ca. 70°C. Dieser Temperaturverlauf des Solar zellenmoduls in Abhängigkeit der Tageszeit zeigt die Kurve a der Fig. 2. Weist jedoch das Solarzellenmodul die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeabfuhr gemäß der Fig. 1 auf, so erwärmt sich bei Beginn der Sonnen einstrahlung die Solarzelle nur bis auf eine Tempera tur von ca. 33°C. Nun wird die Wärme auf der Rückseite des Solarzellenmoduls abgeführt und dem Kühlmittel zur Speicherung zugeführt, womit dessen endotherme Reaktion beginnt, bei der Kristallwasser freigesetzt wird. Die in dem Solarzellenmodul erzeugte Wärmemenge wird also laufend dem Kühlmittel zur Speicherung zuge führt, wobei die Temperatur der Solarzellen etwas über 33°C ansteigt. Dieser Vorgang dauert so lange, bis die Wärmekapazität des Kühlmittels erschöpft ist. Danach steigt die Solarzellentemperatur stark an. Einen sol chen Temperaturverlauf zeigt die Kurve b der Fig. 2, wobei der Aufladebereich die Zeitdauer der endothermen Reaktion des Kühlmittels bedeutet. Wird die Wärmekapa zität durch Vergrößerung des Kühlmittelvolumens erhöht, ergibt sich der Kurvenverlauf c bzw. d, wonach die So larzellentemperatur nur noch geringfügig am Ende des Aufladebereiches wesentlich ansteigt bzw. kein Anstieg mehr vorliegt. Endet die Sonneneinstrahlung, was in der Regel in den Abendstunden eines Tages erfolgt, wird in den Solarzellen auch keine Wärme mehr erzeugt. Die So larzellentemperatur würde jetzt normalerweise sinken, dies wird jedoch dadurch verhindert, daß das Kühlmittel nun exotherm reagiert, also unter Abgabe von Wärme Was ser bindet. Dadurch wird dem Solarzellenmodul von der Rückseite aus Wärme zugeführt, wobei die Temperatur ca. 33°C beträgt. Diese Phase ist in der Fig. 2 als Ent ladebereich gekennzeichnet und dauert solange, bis die von dem Kühlmittel gespeicherte Wärme vollständig abge geben ist. Liegt dieser Zeitpunkt vor dem Beginn der erneuten Sonneneinstrahlung, sinkt auch die Solarzel lenmodultemperatur unter 33°C und paßt sich der Umge bungstemperatur an. Während der Entladephase wird nicht nur Wärme an das Solarzellenmodul abgegebem, sondern auch nach hinten abgestrahlt. Diese Rückseitenemission kann noch durch entsprechende Gestaltung der Rückseiten fläche des Gehäuses erhöht werden. Beispielsweise kann die Rückseitenfläche des Gehäuses schwarz oder blau eingefärbt werden, oder zwecks Erhöhung der strahlenden Fläche wellblechartig, oder mit Kühlrippen versehen, ausgebildet sein.

Die Rückseitenemission erfolgt natürlich auch während der Aufladephase in den Schattenraum hinein, weshalb nicht die gesamte in den Solarzellen erzeugte Wärmeener gie in dem Kühlmittel gespeichert wird. Das Kühlmittel volumen ist daher so zu bemessen, daß nahezu die gesam te in dem Solarzellenmodul erzeugte Wärme gespeichert werden kann.

Die Erfindung beschränkt sich natürlich nicht nur auf die Verwendung von Natriumsulfat-Decahydrat als Kühl mittel, sondern auf jeden Stoff bzw. jedes Stoffgemisch, der bzw. das bei einer Temperatur, die über der Umge bungstemperatur liegt, endotherm reagiert. Läge die Umgebungstemperatur über dieser Reaktionsaktivierungs temperatur, so würde das Kühlmittel Wärmeenergie aus der Umgebung speichern.

Diese Erfindung zeigt, daß ein Solarzellenmodul mit einer Vorrichtung zur Wärmeabfuhr einfach und kosten günstig herstellbar ist, wobei der Wirkungsgrad des Solarzellenmoduls von Beginn bis Ende der Sonnenein strahlung nahezu konstant bleibt.

Claims

1. Solarzellenmodul (1) mit einer Vorrichtung zur Wär meabfuhr, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (4) das Solarzellenmodul (1) und ein auf der Rückseitenflä che (3) des Solarzellenmoduls vorgesehenes Raumteil (5) umschließt, daß das Raumteil (5) ein die Rückseitenflä che (3) bedeckendes Kühlmittel (2) enthält, und daß das Volumen des Raumteils (5) derart bemessen ist, daß ein wesentlicher Teil der durch die Sonneneinstrahlung wäh rend eines Tages in dem Solarzellenmodul (1) entstehen de Wärmemenge abführbar und in dem Kühlmittel (2) spei cherbar ist.

2. Solarzellenmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel ein fester Bodenkör per aus Natriumsulfat-Decahydrat und darüber eine wäss rige Lösung aus Natrium- und Sulfationen vorgesehen ist.

3. Solarzellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Raumteil (5) mittels Trennwände (6) in mehrere Kammern aufgeteilt ist.

4. Solarzellenmodul nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) aus Edelstahl hergestellt ist.

5. Solarzellenmodul nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) auf seiner Rückseite schwarz oder blau eingefärbt ist.

6. Solarzellenmodul nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseitenflä che des Gehäuses (5) wellblechartig ausgebildet ist.

7. Solarzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseitenfläche des Gehäuses (5) Kühlrippen aufweist.