DE3831631A1 - Solar cells with cooling device - Google Patents

Solar cells with cooling device

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Abstract

The invention relates to a solar-cell module with a cooling device, in the case of which, according to the invention, a coolant with a large thermal capacity covers the rear face of the solar-cell module, and a hermetically sealed housing encloses the solar-cell module and a spatial part formed by the coolant on the rear face, the volume of the spatial part being dimensioned so that during the insolation the heat produced in the solar-cell module is stored almost completely in the coolant. As a result, during the insolation the temperature of the solar cells rises only very slowly, with the result that the efficiency of the solar-cell module remains virtually constant.

Description

Die Erfindung betrifft ein Solarzellenmodul mit einer Vorrichtung zur Wärmeabfuhr.The invention relates to a solar cell module with a Heat dissipation device.

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.The efficiency of a solar cell module depends on other factors also from the temperature of the solar cell len. The open circuit voltage and therefore also the maximum removable power decreases with increasing temperature. For example, if the solar cell temperature rises to approx. 70 ° C, the efficiency increases by approx. 22% a temperature of 25 ° C from, that is, the Efficiency at 25 ° C approx. 14.0%, so it drops to approx. 10.9% at a temperature of 70 ° C. Therefore When building solar cell modules to the best possible Cooling of the solar cell arrangement.

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. By an appropriate choice of the installation site a solar cell arrangement can be blown by wind achieve noticeable cooling. For further improvement Heat dissipation from the solar cell module is in place hit, the back emission by blue or to improve black areas, or the solar cell lenmodul in a double glass version with both sides to produce photosensitive solar cells so that the Solar cells become transparent to IR radiation. At the latter solution is with a temperature low of the solar cell of approx. 10 ° C, what corresponds to an efficiency improvement of approx. 5%.  

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.Finally, good ventilation of the Solar cell module by means of a cover plate for generation chimney draft effect the efficiency verbes be tested. The disadvantage of this solution Beats is that with them no essential Efficiency improvements can be achieved, that is Insufficient heat is removed from the module.

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.The object of the invention is therefore a So Lar cell module with a device for heat dissipation of the type mentioned at the beginning, in which by a simple construction an almost complete warmth dissipation from the solar cell module is guaranteed.

Die Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.The task is performed according to the characteristic features of claim 1 solved.

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.An advantage of the solar cell module according to the invention is that the capacity of the as a heat accumulator acting coolant for storing the entire in Solar cell module heat generated during the maxima len duration of sun exposure one day is sufficient. In the subsequent phase, during which the solar cell lenmodul is no longer irradiated by the sun, for example at night, the coolant gives the stored heat again, so that at the beginning of the next warm sun phase, the heat generated again is saved. Furthermore, this device for heat Removal can be produced without great technical effort, so that only small additional costs are incurred. Finally, must the user has no special precautions or Take measures during installation as the thickness of the solar cell modules according to the invention only small in size ß than the thickness of the usual made with frame  Module is. However, the frames are for attachment of the solar cell modules to meet static requirements fit.

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.According to a preferred embodiment of the invention the coolant-absorbing part of the room on the back te of the solar cell module by means of partitions in several Divided chambers to ensure even Ab drove the heat over the entire back surface of the To achieve solar cell module and at the same time the back to secure the side cover of the housing statically.

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.In a particularly preferred further education of the Er invention, the coolant consists of sodium sulfate deca hydrate and an aqueous solution of sodium and sul fations that from an endothermic reaction 32.383 ° C releases water. During the sunbeam Therefore, the solar cell module heats up only slightly over a temperature of 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.Finally, for improved heat dissipation further formation of a solar cell according to the invention lenmoduls the housing made of stainless steel, whereby according to another embodiment of the invention Back of the case dark, for example black or blue, is designed to additionally heat drove through to achieve rear emission, causing the Loss of efficiency should be negligible.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles unter Zuhilfenahme der Zeichnung näher erläutert wer­ den. Es zeigen: The invention is based on an embodiment who explained in more detail with the help of the drawing the. Show it:  

Fig. 1 Eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Solarzellenmoduls, und Fig. 1 is a schematic sectional view of a solar cell module according to the invention, and

Fig. 2 ein Temperatur-Zeit-Diagramm eines erfindungs­ gemäßen Solarzellenmoduls als auch eines So­ larzellenmoduls ohne eine Vorrichtung zur Wärmeabfuhr. Fig. 2 is a temperature-time diagram of an inventive solar cell module and a solar cell module without a device for heat dissipation.

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.The solar cell module 1 according to Fig. 1 is embedded in a laminate and has at the back 3, a synthetic material or aluminum plate 7, a space part 5 which is filled with a cooling means 2 includes the in such a way that the whole Back surface 3 is covered by this coolant 2 . The solar cell module 1 is arranged with the coolant 2 in a hood-shaped housing 4 so that the solar cell module 1 closes the housing with a cover plate 8 . The housing part 5 enclosed by the housing 4 is divided into chambers by a plurality of partitions 6 . The housing 4 can be made of stainless steel and colored dark with a dark color for better rear emission. As a cooling medium, sodium sulfate decahydrate (Na 2 SO 4 × 10 H 2 O) or a heated amount of this salt can be filled into the chambers.

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.The function of the coolant acting as a heat store will now be explained with reference to FIG. 2. The Glauber salt has the property that it reacts endothermically at a temperature of 32.383 ° C with an energy of - 18.76 Kcal per mole and thereby releases water. Due to the solar energy radiated on the front of the solar cell module, the solar cells heat up and, if the heat is not dissipated, reach a temperature of approx. 70 ° C after a short exposure. This curve of the temperature of the solar cell module as a function of the time of day is shown in curve a in FIG. 2. However, if the solar cell module has the device according to the invention for heat dissipation according to FIG. 1, the solar cell only heats up to a temperature at the start of solar radiation of approx. 33 ° C. Now the heat is dissipated on the back of the solar cell module and fed to the coolant for storage, which begins its endothermic reaction, in which crystal water is released. The amount of heat generated in the solar cell module is thus continuously fed to the coolant for storage, the temperature of the solar cells rising slightly above 33 ° C. This process continues until the heat capacity of the coolant is exhausted. After that, the solar cell temperature rises sharply. Such a temperature profile is shown by curve b in FIG. 2, the charging area signifying the duration of the endothermic reaction of the coolant. If the heat capacity is increased by increasing the coolant volume, the curve c or d results, according to which the solar cell temperature rises only slightly at the end of the charging area or there is no longer any increase. If the solar radiation ends, which usually takes place in the evening hours of the day, no more heat is generated in the solar cells. The solar cell temperature would normally drop now, but this is prevented by the fact that the coolant now reacts exothermically, that is to say when water releases heat. As a result, heat is supplied to the solar cell module from the rear, the temperature being approximately 33 ° C. This phase is marked in FIG. 2 as an unloading area and lasts until the heat stored by the coolant is completely given off. If this time is before the beginning of the new solar radiation, the solar cell temperature also drops below 33 ° C and adapts to the ambient temperature. During the discharge phase, heat is not only released to the solar cell module, but also radiated to the rear. This rear emission can be increased by appropriate design of the rear surface of the housing. For example, the rear surface of the housing can be colored black or blue, or can be designed like a corrugated sheet or to provide cooling fins in order to increase the radiating surface.

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.The backside emission is of course also during the charging phase into the shadow space, which is why not all of the heat generated in the solar cells gie is stored in the coolant. The coolant volume must therefore be measured so that almost the total te heat generated in the solar cell module stored can be.

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.The invention is of course not only limited to the use of sodium sulfate decahydrate as cooling medium, but on every substance or mixture of substances, the or that at a temperature which is above the reverse exercise temperature, endothermic reaction. Lies that Ambient temperature above this reaction activation temperature, the coolant would generate thermal energy save the environment.

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.This invention shows that a solar cell module with a device for heat dissipation simple and cost is inexpensive to manufacture, the efficiency of Solar cell module from the beginning to the end of the sun radiation remains almost constant.

Claims (7)

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.1. Solar cell module ( 1 ) with a device for heat dissipation, characterized in that a housing ( 4 ) the solar cell module ( 1 ) and a provided on the back surface ( 3 ) of the solar cell module encloses the room part ( 5 ) that the room part ( 5 ) a coolant ( 2 ) covering the back side surface ( 3 ), and that the volume of the room part ( 5 ) is dimensioned such that a substantial part of the heat generated during the day in the solar cell module ( 1 ) removes the amount of heat and can be stored in the coolant ( 2 ). 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.2. Solar cell module according to claim 1 or 2, characterized characterized in that as a coolant a solid floor per from sodium sulfate decahydrate and above an aq solution of sodium and sulfate ions provided is. 3. Solarzellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Raumteil (5) mittels Trennwände (6) in mehrere Kammern aufgeteilt ist.3. Solar cell module according to claim 1, characterized in that the space part ( 5 ) by means of partitions ( 6 ) is divided into several chambers. 4. Solarzellenmodul nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) aus Edelstahl hergestellt ist. 4. Solar cell module according to one of the preceding claims, characterized in that the housing ( 4 ) is made of stainless steel. 5. Solarzellenmodul nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) auf seiner Rückseite schwarz oder blau eingefärbt ist.5. Solar cell module according to one of the preceding claims, characterized in that the housing ( 5 ) is colored black or blue on its back. 6. Solarzellenmodul nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseitenflä­ che des Gehäuses (5) wellblechartig ausgebildet ist.6. Solar cell module according to one of the preceding claims, characterized in that the Rückseitenflä surface of the housing ( 5 ) is formed like a corrugated sheet. 7. Solarzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseitenfläche des Gehäuses (5) Kühlrippen aufweist.7. Solar cell module according to one of claims 1 to 5, characterized in that the rear surface of the housing ( 5 ) has cooling fins.
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