EP2831924A1 - Photovoltaik-modul mit kühlvorrichtung - Google Patents

Photovoltaik-modul mit kühlvorrichtung

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Publication number
EP2831924A1
EP2831924A1 EP13708145.1A EP13708145A EP2831924A1 EP 2831924 A1 EP2831924 A1 EP 2831924A1 EP 13708145 A EP13708145 A EP 13708145A EP 2831924 A1 EP2831924 A1 EP 2831924A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coolant
photovoltaic module
channel
cooling
structural plate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13708145.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Werner Kuster
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saint Gobain Glass France SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
Original Assignee
Saint Gobain Glass France SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saint Gobain Glass France SAS, Compagnie de Saint Gobain SA filed Critical Saint Gobain Glass France SAS
Priority to EP13708145.1A priority Critical patent/EP2831924A1/de
Publication of EP2831924A1 publication Critical patent/EP2831924A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/60—Arrangements for cooling, heating, ventilating or compensating for temperature fluctuations
    • H10F77/63—Arrangements for cooling directly associated or integrated with photovoltaic cells, e.g. heat sinks directly associated with the photovoltaic cells or integrated Peltier elements for active cooling
    • H10F77/68—Arrangements for cooling directly associated or integrated with photovoltaic cells, e.g. heat sinks directly associated with the photovoltaic cells or integrated Peltier elements for active cooling using gaseous or liquid coolants, e.g. air flow ventilation or water circulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/40—Thermal components
    • H02S40/42—Cooling means
    • H02S40/425—Cooling means using a gaseous or a liquid coolant, e.g. air flow ventilation, water circulation
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one photovoltaic cell covered by group H10F10/00, e.g. photovoltaic modules
    • H10F19/80—Encapsulations or containers for integrated devices, or assemblies of multiple devices, having photovoltaic cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49826—Assembling or joining

Definitions

  • the invention relates to a photovoltaic module with a cooling device, a method for its production and its use.
  • Photovoltaic modules can convert part of the solar radiation that hits them into electrical energy. It is known that the efficiency of this conversion depends crucially on the temperature of the photovoltaic modules. Optimum efficiencies are typically achieved in a temperature range of about 20 ° C to about 50 ° C. As a result of direct sunlight and the sometimes significant heat losses in the conversion of radiant energy into electrical energy, a photovoltaic module can be heated in operation to a temperature of up to 100 ° C. This significantly reduces the efficiency of generating electrical energy.
  • An increase in the efficiency of a photovoltaic module can be achieved by cooling the photovoltaic module. Such cooling can be achieved for example by aeration of the back of the photovoltaic module. A much more effective cooling can be achieved by means of a liquid coolant.
  • a photovoltaic module is known that is mounted on a filled with a liquid coolant metal vessel.
  • the cooling of the photovoltaic module is achieved by the release of heat to the coolant and the circulation of the coolant within the metal vessel.
  • the cooling effect is limited because no active cooling of the coolant is provided.
  • Such a solution also has a lot of space.
  • a photovoltaic module is known, on the rear side of which a cooling device is arranged.
  • the cooling device comprises a base plate and a cooling plate.
  • a cooling tube is attached, through which a liquid coolant is pumped.
  • the production of the photovoltaic module is complicated due to the many elements of the cooling device.
  • the object of the present invention is to provide a photovoltaic module with an improved cooling device that is simple and inexpensive to manufacture, has a small footprint and allows for effective cooling of the photovoltaic module.
  • the photovoltaic module with cooling device comprises at least the following features:
  • At least two contact surfaces are formed on the surface of the structural plate, which are separated by the channel and over which the structural plate is connected to the back of the rear pane, and
  • the channel is at least partially filled with a liquid coolant.
  • the front pane is the pane of the photovoltaic module facing the light incidence.
  • Rear window is the disc facing away from the light incident.
  • the front window and the rear window each have a front side and a rear side.
  • the front side refers to the side facing the light. With back side the side facing away from light is called.
  • the rear side of the front pane and the front side of the rear pane face each other and are interconnected by an intermediate layer by lamination.
  • the structural sheet according to the invention is formed with at least one extending between a coolant inlet and a coolant outlet channel. Through the channel is on a first surface of the structural sheet a recess and on a opposite second surface of the structural sheet formed a corresponding survey.
  • the first surface of the structural sheet has at least two contact surfaces, which are arranged in a common plane plane. The two contact surfaces are separated by the channel and adjoin the channel.
  • the structural panel is connected via the contact surfaces with the rear of the rear window.
  • a conduit for a liquid coolant is formed.
  • the channel extends between a coolant inlet and a coolant outlet, which are openings of the conduit. Through these openings, the channel with a coolant flow and a coolant return can be connected. The coolant can thus be passed through the channel and the absorbed heat outside the photovoltaic module by appropriate means again.
  • the channel is preferably formed by forming in the structural plate and forms a depression on the wall facing the back plate surface of the structural plate and a projection on the side facing away from the rear pane surface of the structural plate.
  • the structural panel provides an easy to manufacture, inexpensive and effective cooling device.
  • the structural plate provides an interface for attaching the photovoltaic module at the site and causes a gain or stiffening of the photovoltaic module. The attachment of additional reinforcing elements is thus not required, if such a gain is desired, for example, in a photovoltaic module with small thicknesses of the front pane and the rear window.
  • the structural sheet preferably has a thickness of 0.1 mm to 3.0 mm, particularly preferably 0.3 mm to 0.8 mm. This is particularly advantageous with regard to a simple introduction of the channel according to the invention into the structural panel, the stability and the reinforcing effect of the structural panel.
  • the structural sheet preferably has a constant thickness. With the thickness of the structural sheet material thickness is referred to in the context of the invention.
  • the structural sheet may in principle be made of any suitable metal or alloy.
  • the structural sheet preferably contains at least steel and / or Aluminum. This is particularly advantageous in terms of cost-effective production and the stability of the structural sheet.
  • the channel according to the invention in the structural panel preferably has a depth of 0.5 mm to 20 mm, particularly preferably 2 mm to 10 mm. This is particularly advantageous in terms of the cooling effect and a small footprint of the structural sheet.
  • the depth of the channel is determined in a cross-section perpendicular to the propagation direction of the channel.
  • the depth of the channel in the context of the invention is then the maximum vertical distance of the back plate facing surface of the structural plate in the region of the channel of the plane in which the contact surfaces are arranged.
  • the depth of the channel is preferably constant along the propagation direction of the channel.
  • the channel preferably has a width of 2 mm to 50 mm, particularly preferably 5 mm to 20 mm. This is particularly advantageous with regard to the cooling effect and the stable connection between structural plate and rear window.
  • the width of the channel is referred to in the sense of the invention, the width of the channel in the plane in which the contact surfaces are arranged.
  • the profile of the channel in cross-section perpendicular to the propagation direction of the channel according to the invention is not limited to a specific shape.
  • the profile of the channel may have, for example, the shape of a rectangle, a triangle, a circle segment, an ellipse segment or a trapezoid.
  • Profiles that become narrower as the distance to the backplate, for example triangles, trapezoids, circle segments or elliptical segments may be preferred because they lead to a larger contact surface of the coolant to the rear disc with the same amount of coolant than, for example, a rectangular profile.
  • the channel preferably extends meandering over the structural plate.
  • the channel particularly preferably has mutually parallel sections, which are connected to one another by loop-like sections. Adjacent parallel sections of the channel preferably have a distance of 5 mm to 100 mm from each other. This results in particularly good cooling results.
  • the channel is preferably completely filled with the coolant. For a particularly advantageous cooling effect is achieved.
  • the coolant inlet and the coolant outlet are preferably arranged on at least one side edge of the structural panel. This is particularly advantageous with regard to a simple production of the structural sheet according to the invention, because the coolant inlet and the coolant outlet can be provided during the introduction of the channel without further process steps such as drilling.
  • the line for the cooling liquid then has two openings at at least one side edge of the structural plate, which can be connected to a coolant flow and a coolant return.
  • Such a lateral connection is much more space-saving on site than a connection on the back of the structural sheet, because the photovoltaic module with a smaller distance to the ground, such as a building roof, can be arranged.
  • the coolant inlet and the coolant outlet may be arranged on the same or on two different side edges of the structural panel.
  • the coolant inlet and the coolant outlet are arranged on two opposite side edges of the structural plate.
  • the connection of the channel with a coolant flow and a coolant return is then particularly simple and space-saving, because the coolant flow and the coolant return can be arranged on opposite sides of the photovoltaic module.
  • several photovoltaic modules according to the invention can simply be connected in parallel with the same coolant feed and the same coolant return.
  • the channel is preferably introduced by forming a plan in the initial state sheet in the structural sheet, for example by deep drawing or embossing.
  • connection between the contact surfaces of the structural plate and the rear pane is preferably effected by means of an adhesive.
  • the adhesive must be suitable for providing a dense and chemically and mechanically stable connection between the structural sheet and the rear pane relative to the coolant. Suitable adhesives are, for example, polyurethane adhesives.
  • the contact surfaces are preferably formed on the entire surface of the structural plate facing the rear pane, minus the region of the channel, and completely covered with the adhesive. This advantageously a particularly stable connection between the structural plate and rear window is achieved.
  • one or more fastening elements are arranged on the surface facing away from the back plate surface of the structural plate.
  • the photovoltaic module can be attached to the site, for example, on a frame.
  • the attachment takes place for example by screwing, clamping, gluing the fasteners and / or by inserting the fasteners into a rail.
  • the fastening elements are preferably arranged in the edge region of the structural sheet.
  • the structural sheet according to the invention advantageously provides an interface for fastening the photovoltaic module at the place of use by means of the fastening elements.
  • the fastening elements may, for example, have an angle-like cross-section, with a planar partial region formed parallel to the rear side of the rear pane projecting beyond the side edges of the photovoltaic module.
  • the fastening elements can be attached, for example by welding, soldering or gluing on the structural sheet.
  • the fastening elements may be integrally formed with the structural sheet, wherein side edges or protruding portions of the side edges of the plan in the initial state sheet to be bent into a fastener.
  • any suitable cooling liquid known to those skilled in the art with sufficient heat conductivity can be used as the coolant.
  • the coolant may contain, for example, at least water or a water-glycol mixture.
  • the coolant may also contain additives, oils or gases.
  • the front pane preferably contains a non-prestressed, partially prestressed or tempered or a hardened, for example a thermally or chemically hardened glass.
  • the front pane preferably contains soda-lime glass, low-iron soda-lime glass or borosilicate glass. This is particularly advantageous in terms of the stability of the photovoltaic module, the protection of the photovoltaic layer system from mechanical damage and the transmission of sunlight through the front pane.
  • the rear pane contains in an advantageous embodiment, a non-prestressed, teilvorgespanntes or toughened or a hardened, for example, a thermally or chemically tempered glass.
  • the rear pane preferably contains soda-lime glass, low-iron soda-lime glass or borosilicate glass.
  • the rear pane can also contain, for example, a plastic, for example polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polymethyl methacrylate and / or mixtures thereof, a glass-fiber-reinforced plastic, a metal or a metal alloy, for example stainless steel.
  • a plastic for example polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polymethyl methacrylate and / or mixtures thereof, a glass-fiber-reinforced plastic, a metal or a metal alloy, for example stainless steel.
  • the front disk and the rear disk preferably each have a thickness of 0.1 mm to 10 mm, for example from 1, 5 mm to 5 mm.
  • the front pane and / or the rear pane have very small thicknesses.
  • the front pane and / or the rear pane preferably have a thickness of 1 mm to 6 mm, particularly preferably 2 mm to 4 mm.
  • Such photovoltaic modules have an advantageously low weight.
  • the cooling device according to the invention is particularly advantageous for photovoltaic modules with small pane thicknesses, because reinforcement and stiffening of the photovoltaic modules is achieved by the structural sheet according to the invention, so that no additional reinforcement elements have to be applied.
  • the area of the front pane and the rear pane can be from 100 cm 2 to 18 m 2 , preferably from 0.5 m 2 to 3 m 2 .
  • the front and rear wheels can be flat or curved.
  • the photovoltaic layer system effects the charge carrier separation required for the conversion of radiant energy into electrical energy.
  • the photovoltaic layer system preferably comprises at least one photovoltaically active absorber layer between a front electrode layer and a back electrode layer.
  • the front electrode layer is arranged on the side facing the incidence of light absorber layer.
  • the back electrode layer is arranged on the side facing away from the light incident side of the absorber layer.
  • the photovoltaically active absorber layer according to the invention is not limited to a specific type.
  • the absorber layer may contain, for example, monocrystalline, polycrystalline, micromorphous or amorphous silicon, semiconducting organic polymers or oligomers, cadmium telluride (CdTe), gallium arsenide (GaAs) or cadmium selenide (CdSe).
  • CdTe cadmium telluride
  • GaAs gallium arsenide
  • CdSe cadmium selenide
  • the absorber layer contains a p-type chalcopyrite semiconductor such as a compound of the group copper indium sulfur / selenium (CIS), for example copper indium diselenide (CulnSe 2 ), or a compound of the group copper indium Gallium sulfur / selenium (CIGS), for example Cu (InGa) (SSe) 2 .
  • CIS group copper indium sulfur / selenium
  • CIGS copper indium Gallium sulfur / selenium
  • Photovoltaic modules with CI (G) S-based absorber layers have a particularly high temperature coefficient, ie a particularly large reduction in the efficiency with increasing temperature. The temperature coefficient of performance is approximately in the range of -0.35% / ° C to -0.5% / ° C.
  • the temperature dependence of the efficiency is thus much more pronounced than, for example, in the case of photovoltaic modules with an absorber layer based on amorphous silicon (approximately from -0.18% / [deg.] C. to -0.23% / [deg.] C.) or cadmium telluride (approximately from 0.18% / ° C to -0.25% / ° C).
  • amorphous silicon approximately from -0.18% / [deg.] C. to -0.23% / [deg.] C.
  • cadmium telluride approximately from 0.18% / ° C to -0.25% / ° C.
  • the absorber layer contains polycrystalline silicon.
  • a photovoltaic module with such an absorber layer has a high temperature coefficient in the range of -0.32% / ° C to -0.51% / ° C.
  • photovoltaic modules based on monocrystalline silicon have a high temperature coefficient in the range from -0.32% / ° C to -0.51% / ° C.
  • the efficiency can be increased particularly advantageous.
  • the given values for the temperature coefficients are taken from the following publication: Volker Quaschning, Regenerative Energy Systems, Carl Hanser Verlag 2009, p. 190 (ISBN 978-3446421516).
  • the absorber layer preferably has a layer thickness of 500 nm to 5 ⁇ m, more preferably from 1 ⁇ m to 3 ⁇ m.
  • the absorber layer can be doped with metals, preferably sodium.
  • the photovoltaic layer system can be applied to the front side of the rear pane (substrate configuration).
  • the photovoltaic layer system may alternatively be applied to the back of the front pane (superstrate configuration).
  • the substrate configuration and the superstrate configuration are common in thin film photovoltaic modules.
  • the photovoltaic layer system can also be arranged between a first and a second film of the intermediate layer, as is customary in particular with photovoltaic modules with a crystalline absorber layer.
  • the photovoltaic layer system is then arranged according to the invention in the intermediate layer.
  • the photovoltaic module according to the invention has the substrate configuration.
  • a particularly effective cooling of the photovoltaic structure is achieved by the structural sheet according to the invention on the back of the rear window.
  • the back electrode layer may contain, for example, at least one metal, preferably molybdenum, titanium, tungsten, nickel, titanium, chromium and / or tantalum.
  • the back electrode layer preferably has a layer thickness of 300 nm to 600 nm.
  • the back electrode layer may comprise a layer stack of different individual layers.
  • the layer stack contains a diffusion barrier layer of, for example, silicon nitride in order to prevent diffusion of, for example, sodium from the substrate into the photovoltaically active absorber layer.
  • the front electrode layer is transparent in the spectral region in which the absorber layer is sensitive.
  • the front electrode layer may contain, for example, an n-type semiconductor, preferably aluminum-doped zinc oxide or indium-tin oxide.
  • the front electrode layer preferably has a layer thickness of 500 nm to 2 ⁇ m.
  • the electrode layers may also contain silver, gold, copper, nickel, chromium, tungsten, tin oxide, silicon dioxide, silicon nitride and / or combinations and mixtures thereof.
  • the photovoltaic layer system preferably has a peripheral distance to the outer edges of the photovoltaic module of 5 mm to 20 mm, particularly preferably from 10 mm to 15 mm, in order to be protected against ingress of moisture or shading by fasteners on the edge.
  • the rear side of the front pane is connected via at least one intermediate layer to the front side of the rear pane.
  • the connection between the front screen and rear window is made over a large area via the photovoltaic layer system.
  • the intermediate layer preferably contains thermoplastic materials, such as polyvinyl butyral (PVB) and / or ethylene vinyl acetate (EVA) or several layers thereof, preferably with thicknesses of 0.3 mm to 0.9 mm.
  • the intermediate layer may also include polyurethane (PU), polypropylene (PP), polyacrylate, polyethylene (PE), polycarbonate (PC), polymethylmethacrylate, polyvinyl chloride, polyacetate resin, casting resins, acrylates, fluorinated ethylene-propylenes, polyvinyl fluoride, ethylene-tetrafluoroethylene, copolymers and / or mixtures thereof.
  • PU polyurethane
  • PP polypropylene
  • PE polyacrylate
  • PE polyethylene
  • PC polycarbonate
  • polymethylmethacrylate polyvinyl chloride
  • polyacetate resin casting resins
  • acrylates fluorinated ethylene-propylenes
  • polyvinyl fluoride polyvinyl fluoride
  • ethylene-tetrafluoroethylene copolymers and / or mixtures thereof.
  • the front electrode layer and the back electrode layer are electrically contacted by elements known per se, for example by bus bars and foil conductors.
  • the foil conductors can be guided out of the photovoltaic module, for example, laterally in the region of the intermediate layer or through at least one hole in the rear pane in the region of the contact surfaces of the structure sheet.
  • the front pane and / or the rear pane may comprise per se known coatings, for example antireflection layers, non-stick layers, anti-scratch layers and / or diffusion barrier layers.
  • the photovoltaic module may include other known per se elements, such as fasteners, frames and / or fittings.
  • the photovoltaic module according to the invention is preferably operated within an arrangement.
  • the arrangement according to the invention for cooling a photovoltaic module comprises at least the following features:
  • At least one photovoltaic module according to the invention a coolant supply, which is connected to the coolant inlet of the structural plate of the photovoltaic module,
  • a coolant cooling with at least one coolant inlet and at least one coolant outlet, wherein the coolant inlet of the coolant cooling is connected to the coolant return and the coolant outlet of the coolant cooling is connected to the coolant flow , and
  • the conduit formed by the channel in the structural panel and the back of the rear disc, the coolant flow, the coolant cooling and the coolant return form a closed coolant circuit.
  • the coolant heated in the area of the photovoltaic module is supplied via the coolant return to the coolant cooling, where the coolant gives off heat and is cooled to a lower temperature.
  • the cooled coolant is introduced via the coolant supply back into the channel of the structural sheet. Coolant cooling achieves a particularly effective cooling effect for the photovoltaic module.
  • the coolant flow and the coolant return can be configured, for example, as pipes and / or hose lines.
  • the connection between the channel of the structural plate and the coolant flow or the coolant return can be done for example via a connecting piece such as a connecting tube that is adhesively bonded, screwed, welded or soldered to the structural sheet.
  • a connecting piece such as a connecting tube that is adhesively bonded, screwed, welded or soldered to the structural sheet.
  • suitable sealing means may be used for sealing the connection between the channel and the coolant flow or the coolant return.
  • the arrangement for cooling a photovoltaic module further comprises a pump which is suitable for pumping the coolant through the closed coolant circuit.
  • the circulation of the coolant in the coolant circuit is actively achieved by means of the pump, which leads to a particularly advantageous cooling effect.
  • the circulation of the coolant may alternatively but also with appropriate positioning of Coolant flow, coolant return, coolant cooling and photovoltaic module are achieved by the convection caused by the heated coolant.
  • the coolant cooling is formed in an advantageous embodiment as LDIRECTkühlung. This is particularly advantageous in terms of a simple, space-saving and cost-effective production of the arrangement and a low maintenance intensity of the arrangement.
  • the coolant cooling preferably comprises at least one pipe, which runs between the coolant flow and the coolant return.
  • the tube preferably has a high thermal conductivity and contains, for example, at least copper, aluminum, steel or other suitable materials.
  • the tube can run straight or, for example, looped or meandering from the coolant return to the coolant flow. It can also be connected in parallel with the coolant flow and the coolant return multiple pipes.
  • the coolant cooling can also be realized for example by a heat exchanger with a secondary coolant circuit.
  • a plurality of photovoltaic modules for example, from 2 to 40 photovoltaic modules, connected to the coolant flow and the coolant return.
  • the cooling of the plurality of photovoltaic modules is advantageously achieved by the same coolant circuit.
  • a particularly advantageous cooling is achieved when the plurality of photovoltaic modules are connected in parallel with the coolant flow and the coolant return.
  • the plurality of photovoltaic modules can in principle, however, also be connected in series with the coolant flow and the coolant return.
  • the coolant circuit may contain further elements that appear appropriate to the person skilled in the art, such as shut-off valves, valves, for example a venting valve, or closable openings for filling and replacement of the coolant.
  • the object of the invention is further achieved by a method for producing a photovoltaic module according to the invention, wherein at least
  • the structural panel is connected to at least two contact surfaces, which are separated by the channel from each other, with the back of the rear window and (C) the channel is at least partially filled with a liquid coolant.
  • the channel is preferably formed by forming in a plan in the initial state structural sheet, for example by deep drawing or embossing.
  • the photovoltaic layer system is applied to the front of the rear pane or to the back of the front pane or inserted into the intermediate layer. Thereafter, the front side of the rear pane is connected to the back of the front pane via the intermediate layer under the action of heat, vacuum and / or pressure, for example by autoclave method, vacuum bag method, vacuum ring method, calender method, vacuum laminators or combinations thereof.
  • the individual layers of the photovoltaic layer system are preferably applied by cathode sputtering, vapor deposition or chemical vapor deposition (CVD).
  • the insertion of the photovoltaic layer system into the intermediate layer comprises arranging the photovoltaic layer system between a first and a second layer of the intermediate layer.
  • the provision of the laminated composite of stacked rear pane, photovoltaic layer system and front pane and the introduction of the channel in the structural plate can be done in any order in time.
  • the joining of the structural sheet with the rear pane takes place in time after the provision of the laminated composite of superimposed rear pane, photovoltaic layer system and front pane.
  • the joining of structural plate and back plate is preferably carried out by gluing.
  • the back and / or the front electrode layer for electrical contacting after the application of the photovoltaic layer system and before the connection of the front screen and the rear window are electrically conductively connected to, for example, a film conductor.
  • the electrically conductive connection is effected for example by welding, bonding, soldering, clamping or gluing with an electrically conductive adhesive.
  • the connection of foil conductor with the back and / or the front electrode layer can also take place via a bus bar.
  • the method may comprise further steps known per se, for example subdividing the photovoltaic layer system into individual photovoltaically active regions (so-called solar cells) by cutting into individual layers or individual groups of layers of the layer system or producing a coating-free edge region.
  • steps known per se for example subdividing the photovoltaic layer system into individual photovoltaically active regions (so-called solar cells) by cutting into individual layers or individual groups of layers of the layer system or producing a coating-free edge region.
  • a coolant flow and the coolant inlet of the structural plate and a coolant return connected to the coolant outlet of the structural plate in time between the method steps (b) and (c), a coolant flow and the coolant inlet of the structural plate and a coolant return connected to the coolant outlet of the structural plate.
  • the coolant flow is also connected to a coolant outlet of a coolant cooling and the coolant return is connected to a coolant inlet of the coolant cooling.
  • the channel, the coolant flow, the coolant return and the coolant cooling are then at least partially filled with the liquid coolant, for example via closable openings.
  • a further aspect of the invention comprises the use of a photovoltaic module with cooling device according to the invention on a roof of a building or a vehicle for locomotion by water, on land or in the air, on a building facade or on open fields.
  • the invention also includes the use of a structural panel according to the invention on the back of the rear pane of a photovoltaic module for cooling the photovoltaic layer system, preferably to a temperature of 20 ° C to 50 ° C.
  • FIG. 1 is a plan view of the side facing away from the light incident side of a photovoltaic module according to the invention with cooling device
  • FIG. 3 shows a section along B-B 'through the photovoltaic module according to FIG. 1,
  • Fig. 4 is a schematic representation of an arrangement according to the invention for cooling a photovoltaic module
  • Fig. 5 shows an embodiment of the method according to the invention with reference to a flow chart.
  • Fig. 1, Fig. 2, Fig. 2a and Fig. 3 each show a detail of a photovoltaic module 100 according to the invention with cooling device.
  • the photovoltaic module 100 includes a front disk 1 having a front side (I) and a back side (II) and a rear disk 2 having a front side (III) and a back side (IV).
  • the front side (I) of the front pane 1 is turned towards the incidence of light.
  • On the front side (III) of the rear disk 2, a photovoltaic layer system 3 is applied.
  • the rear side (II) and the front side (III) are connected to each other over a large area via the photovoltaic layer system 3 by means of an intermediate layer 4.
  • the front pane 1, the rear pane 2, the photovoltaic layer system 3 and the intermediate layer 4 form a laminated composite 101.
  • the front pane 1 is transparent to sunlight and consists of tempered, extra-white, low-iron glass.
  • the rear window 2 is made of soda lime glass.
  • the front disk 1 and the rear disk 2 have a thickness of 2.85 mm.
  • the photovoltaic module 100 has a size of 1, 6 m x 0.7 m.
  • the intermediate layer 4 contains polyvinyl butyral (PVB) and has a layer thickness of 0.76 mm.
  • the photovoltaic module 100 is a substrate configuration CIS thin film photovoltaic module.
  • the photovoltaic layer system 3 comprises a rear electrode layer 10 which is arranged on the front side (III) of the rear pane 2 and contains molybdenum and has a layer thickness of approximately 300 nm.
  • the photovoltaic layer system 3 further comprises a photovoltaically active absorber layer 1 1, which contains sodium-doped Cu (InGa) (SSe) 2 and has a layer thickness of about 2 ⁇ .
  • the photovoltaic layer system 3 further includes a front electrode layer 12 containing aluminum-doped zinc oxide (AZO) and having a layer thickness of about 1 ⁇ .
  • AZO aluminum-doped zinc oxide
  • a buffer layer 13 which contains a single layer of cadmium sulfide (CdS) and a single layer of intrinsic zinc oxide (i-ZnO).
  • the buffer layer effects an electronic matching between absorber layer 1 1 and front electrode layer 12.
  • the photovoltaic layer system 3 is subdivided into individual photovoltaically active regions, so-called solar cells, which are serialized over a region of the back electrode layer 10 using methods known per se for the production of a thin-film photovoltaic module interconnected with each other.
  • the photovoltaic layer system 3 is mechanically abraded in the edge region of the back plate 2 with a width of 15 mm.
  • the front electrode layer 12 and the back electrode layer 10 are electrically contacted via film conductors, not shown, in a conventional manner.
  • a structural plate 5 is arranged on the back (IV) of the rear disk 2.
  • the structural plate 5 is made of steel and has a thickness of 0.8 mm.
  • a channel 6 is introduced by deep drawing.
  • a coolant inlet 19 and a coolant outlet 20 are formed through the channel 6.
  • the channel 6 meanders between the coolant inlet 19 and the coolant outlet 20.
  • the channel 6 is straight, parallel to one another arranged portions, wherein adjacent straight sections are connected by loop-like sections.
  • the width b of the channel 6 is shown very large for better illustration. In a real embodiment, the channel 6, for example, a width b of 20 mm and correspondingly a significantly larger number of meandering turns. Adjacent straight portions of the channel 6, for example, have a distance of 20 mm from each other.
  • the contact surfaces 7, 7 are arranged in a plane plane.
  • the structural plate 5 is connected via the contact surfaces 7, T to the rear side (IV) of the back plate 2 by means of an adhesive 18.
  • a coolant line (L) is formed, which is filled with a liquid coolant, not shown in the drawing.
  • the adhesive 18, which is a polyurethane adhesive a permanently stable and against the coolant-tight connection between the structural plate 5 and Rear disc 2 provided.
  • the coolant inlet 19 and the coolant outlet 20 provide openings of the conduit (L), which are provided for connection of a coolant flow and a coolant return within a cooling circuit.
  • the channel 6 has the shape of a trapezoid in cross-section perpendicular to its propagation direction. Only in the region of the side edges of the cross-section is designed around to be connected to the coolant flow and return easier.
  • the channel 6 has a depth t of 5 mm.
  • fastening elements 8 are welded.
  • the fastening elements 8 are made of steel and have an angle-like profile, wherein a region of each fastening element 8 projects beyond the side edges of the photovoltaic module 100.
  • the photovoltaic module 100 can be mounted on a frame, for example by screwing or insertion into a carrier rail.
  • a simple and inexpensive to manufacture and space-saving line (L) is provided for a liquid coolant.
  • the temperature of the photovoltaic layer system 3 can be kept in operation in a range of about 20 ° C to 50 ° C. This significantly increases the efficiency of the conversion of radiant energy into electrical energy. Such cooling is especially advantageous in CIS thin-film photovoltaic modules due to their high temperature coefficient.
  • the lateral openings of the line formed by the structural plate 5 allow the connection of a coolant flow and a coolant return in the region of the side edges of the photovoltaic module 100. Such a lateral connection is much more space-saving at the site than a connection on the back of the structural plate.
  • the structural plate 5 because the photovoltaic module 100 can be arranged with a smaller distance to the ground, for example a building roof.
  • the structural plate 5 also leads to a reinforcement and stiffening of the photovoltaic module 100, which is advantageous due to the small thickness of the front pane 1 and the rear pane 2. Additional reinforcing elements are not necessary.
  • the structural plate 5 through the fasteners 8 is the interface for mounting the photovoltaic module 100 in the field.
  • the channel 6 of the structural plate 5 of each photovoltaic module 100 is connected to a coolant feed 14 via the coolant inlet 19.
  • the channel 6 of the structural plate 5 of each photovoltaic module 100 is connected to a coolant return 15 via the coolant outlet 20.
  • the photovoltaic modules 100 are connected in parallel with the coolant flow 14 and the coolant return line 15, so that the coolant between the coolant flow 14 and coolant return 15 only passes through a photovoltaic module 100.
  • the coolant flow 14 and the coolant return 15 are formed as tubes made of steel.
  • the connection between the channel 6 and the coolant inlet 19 or the coolant outlet 20 takes place in each case via a connecting piece 9.
  • Each connecting piece 9 comprises two short metal tubes and a hose arranged between the metal tubes and clamped to the metal tubes.
  • a metal tube is welded to the structural plate 5 in the region of the coolant inlet 19 (or of the coolant outlet 20), the other metal tube is connected to the coolant flow 14 (or the coolant return 15), for example screwed by means of threads.
  • the arrangement further comprises a pump 16, which is arranged between two sections of the coolant flow 14.
  • the coolant flow 14 and the coolant return 15 are connected to each other away from the photovoltaic modules 100 via a coolant cooling 17.
  • the coolant cooling 17 is an air cooling and comprises four steel tubes 23 which run parallel between the coolant flow 14 and the coolant return 15.
  • Each tube 23 of the coolant cooling 17 has a coolant inlet 21 and a coolant outlet 22, wherein the coolant inlet 21 is connected to the coolant return 15 and the coolant outlet 22 is connected to the coolant flow 14, for example screwed by threads.
  • the coolant circuit is filled, for example with water as a coolant.
  • the coolant is pumped by the pump 16 through the coolant loop.
  • the coolant takes heat from the Photovoltaic modules 100 and thereby leads to a decrease in temperature of the photovoltaic layer systems 3.
  • the heated coolant releases the heat through the coolant cooling 17 to the ambient air.
  • the temperature of the photovoltaic layer systems 3 can thus be kept permanently in a range of 20 ° C to 50 ° C.
  • Fig. 5 shows an example of the inventive method for producing a photovoltaic module with cooling device.
  • Coolant flow (15) Coolant return

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Photovoltaik-Modul (100) mit Kühlvorrichtung, mindestens umfassend: einen laminierten Verbund (101) aus übereinander angeordneter Rückscheibe (2), photovoltaischem Schichtsystem (3) und Vorderscheibe (1), und ein auf der Rückseite (IV) der Rückscheibe (2) angeordnetes Strukturblech (5), wobei in das Strukturblech (5) mindestens ein zwischen einem Kühlmittel-Einlass (19) und einem Kühlmittel-Auslass (20) verlaufender Kanal (6) eingebracht ist, auf der Oberfläche des Strukturblechs (5) mindestens zwei Kontaktflächen (7, 7') ausgebildet sind, die durch den Kanal (6) voneinander getrennt sind und über die das Strukturblech (5) mit der Rückseite (IV) verbunden ist, und der Kanal (6) zumindest teilweise mit einem flüssigen Kühlmittel gefüllt ist.

Description

Photovoltaik-Modul mit Kühlvorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Photovoltaik-Modul mit Kühlvorrichtung, ein Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung.
Photovoltaik-Module können einen Teil der auf sie treffenden Sonnenstrahlung in elektrische Energie umwandeln. Es ist bekannt, dass die Effizienz dieser Umwandlung entscheidend von der Temperatur der Photovoltaik-Module abhängt. Optimale Effizienzen werden typischerweise in einem Temperaturbereich von etwa 20°C bis etwa 50°C erreicht. Infolge direkter Sonneneinstrahlung und der teils erheblichen Wärmeverluste bei der Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie kann ein Photovoltaik-Modul im Betrieb jedoch auf eine Temperatur von bis zu 100°C erwärmt werden. Dadurch wird die Effizienz der Erzeugung elektrischer Energie deutlich verringert.
Eine Steigerung des Wirkungsgrades eines Photovoltaik-Moduls kann durch eine Kühlung des Photovoltaik-Moduls erreicht werden. Eine solche Kühlung kann beispielsweise durch eine Belüftung der Rückseite des Photovoltaik-Moduls erreicht werden. Eine deutlich effektivere Kühlung kann mittels eines flüssigen Kühlmittels erreicht werden.
Aus DE 197 47 325 A1 ist ein Photovoltaik-Modul bekannt, dass auf einem mit einem flüssigen Kühlmittel gefüllten Metallgefäß angebracht ist. Die Kühlung des Photovoltaik- Moduls wird durch die Abgabe von Wärme an das Kühlmittel und die Zirkulation des Kühlmittels innerhalb des Metallgefäßes erreicht. Die Kühlwirkung ist dabei beschränkt, weil keine aktive Kühlung des Kühlmittels vorgesehen ist. Eine solche Lösung weist zudem einen hohen Platzbedarf auf.
Aus US 201 1/0168233 A1 ist ein Photovoltaik-Modul bekannt, an dessen Rückseite eine Kühlvorrichtung angeordnet ist. Die Kühlvorrichtung umfasst eine Basisplatte und eine Kühlplatte. Auf der Kühlplatte wird ein Kühlrohr angebracht wird, durch das ein flüssiges Kühlmittel gepumpt wird. Die Herstellung des Photovoltaik-Moduls ist aufgrund der vielen Elemente der Kühlvorrichtung jedoch aufwendig.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Photovoltaik-Modul mit einer verbesserten Kühlvorrichtung bereitzustellen, die einfach und kostengünstig herzustellen ist, einen geringen Platzbedarf aufweist und eine effektive Kühlung des Photovoltaik-Moduls ermöglicht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird erfindungsgemäß durch ein Photovoltaik- Modul mit Kühlvorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Das erfindungsgemäße Photovoltaik-Modul mit Kühlvorrichtung umfasst zumindest die folgenden Merkmale:
- einen laminierten Verbund aus übereinander angeordneter Rückscheibe, photovoltaischem Schichtsystem und Vorderscheibe und
- ein auf der Rückseite der Rückscheibe angeordnetes Strukturblech,
wobei
- in das Strukturblech mindestens ein zwischen einem Kühlmittel-Einlass und einem Kühlmittel-Auslass verlaufender Kanal eingebracht ist,
- auf der Oberfläche des Strukturblechs mindestens zwei Kontaktflächen ausgebildet sind, die durch den Kanal voneinander getrennt sind und über die das Strukturblech mit der Rückseite der Rückscheibe verbunden ist, und
- der Kanal zumindest teilweise mit einem flüssigen Kühlmittel gefüllt ist.
Mit Vorderscheibe wird im Sinne der Erfindung die dem Lichteinfall zugewandte Scheibe des Photovoltaik-Moduls bezeichnet. Mit Rückscheibe wird die vom Lichteinfall abgewandte Scheibe bezeichnet. Die Vorderscheibe und die Rückscheibe weisen jeweils eine Vorderseite und eine Rückseite auf. Mit Vorderseite wird im Sinne der Erfindung die dem Lichteinfall zugewandte Seite bezeichnet. Mit Rückseite wird die dem Lichteinfall abgewandte Seite bezeichnet. Die Rückseite der Vorderscheibe und die Vorderseite der Rückscheibe sind einander zugewandt und über eine Zwischenschicht durch Lamination miteinander verbunden.
Enthält ein Element zumindest ein Material, so schließt dies im Sinne der Erfindung den Fall ein, dass das Element aus dem Material besteht.
Das Strukturblech ist erfindungsgemäß mit mindestens einem zwischen einem Kühlmittel- Einlass und einem Kühlmittel-Auslass verlaufenden Kanal ausgebildet. Durch den Kanal wird auf einer ersten Oberfläche des Strukturblechs eine Vertiefung und auf einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Strukturblechs eine entsprechende Erhebung gebildet. Die erste Oberfläche des Strukturblechs weist mindestens zwei Kontaktflächen auf, welche in einer gemeinsamen planen Ebene angeordnet sind. Die beiden Kontaktflächen sind durch den Kanal voneinander getrennt und grenzen an den Kanal an. Das Strukturblech ist über die Kontaktflächen mit der Rückseite der Rückscheibe verbunden. Durch den erfindungsgemäßen Kanal im Strukturblech und die Rückseite der Rückscheibe wird eine Leitung für ein flüssiges Kühlmittel ausgebildet. Der Kanal verläuft zwischen einem Kühlmittel-Einlass und einem Kühlmittel-Auslass, welche Öffnungen der Leitung darstellen. Über diese Öffnungen kann der Kanal mit einem Kühlmittel-Vorlauf und einem Kühlmittel- Rücklauf verbunden werden. Das Kühlmittel kann somit durch den Kanal geleitet werden und die aufgenommene Wärme außerhalb des Photovoltaik-Moduls durch geeignete Mittel wieder abgeben.
Der Kanal ist bevorzugt durch Umformen in dem Strukturblech ausgebildet und bildet eine Vertiefung auf der zur Rückscheibe hingewandten Oberfläche des Strukturblechs und eine Erhebung auf der von der Rückscheibe abgewandten Oberfläche des Strukturblechs.
Das Strukturblech stellt eine einfach herzustellende, kostengünstige und effektive Kühlvorrichtung bereit. Zudem stellt das Strukturblech eine Schnittstelle zur Befestigung des Photovoltaik-Moduls am Einsatzort bereit und bewirkt eine Verstärkung oder Versteifung des Photovoltaikmoduls. Das Anbringen von zusätzlichen Verstärkungselementen ist somit nicht erforderlich, falls eine solche Verstärkung gewünscht ist, beispielsweise bei einem Photovoltaik-Modul mit geringen Dicken der Vorderscheibe und der Rückscheibe. Das sind große Vorteile der vorliegenden Erfindung.
Das Strukturblech weist bevorzugt eine Dicke von 0,1 mm bis 3,0 mm, besonders bevorzugt von 0,3 mm bis 0,8 mm auf. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf ein einfaches Einbringen des erfindungsgemäßen Kanals in das Strukturblech, die Stabilität und die Verstärkungswirkung des Strukturblechs. Das Strukturblech weist bevorzugt eine konstante Dicke auf. Mit der Dicke des Strukturblechs wird im Sinne der Erfindung die Materialstärke bezeichnet.
Das Strukturblech kann prinzipiell aus jedem geeigneten Metall oder jeder geeigneten Legierung gefertigt sein. Das Strukturblech enthält bevorzugt zumindest Stahl und / oder Aluminium. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine kostengünstige Herstellung und die Stabilität des Strukturblechs.
Der erfindungsgemäße Kanal im Strukturblech weist bevorzugt eine Tiefe von 0,5 mm bis 20 mm, besonders bevorzugt von 2 mm bis 10 mm auf. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Kühlwirkung und einen geringen Platzbedarf des Strukturblechs. Die Tiefe des Kanals wird in einem Querschnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Kanals bestimmt. Die Tiefe des Kanals im Sinne der Erfindung ist dann der maximale senkrechte Abstand der der Rückscheibe zugewandten Oberfläche des Strukturblechs im Bereich des Kanals von der Ebene, in der die Kontaktflächen angeordnet sind. Die Tiefe des Kanals ist bevorzugt entlang der Ausbreitungsrichtung des Kanals konstant.
Der Kanal weist bevorzugt eine Breite von 2 mm bis 50 mm, besonders bevorzugt von 5 mm bis 20 mm auf. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Kühlwirkung und die stabile Verbindung zwischen Strukturblech und Rückscheibe. Mit der Breite des Kanals wird im Sinne der Erfindung die Breite des Kanals in der Ebene, in der die Kontaktflächen angeordnet sind, bezeichnet.
Das Profil des Kanals im Querschnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Kanals ist erfindungsgemäß nicht auf eine bestimmte Form beschränkt. Das Profil des Kanals kann beispielsweise die Form eines Rechtecks, eines Dreiecks, eines Kreissegments, eines Ellipsensegments oder eines Trapezes aufweisen. Profile, die mit wachsendem Abstand zur Rückscheibe schmaler werden, beispielsweise Dreiecke, Trapeze, Kreissegmente oder Ellipsensegmente können bevorzugt sein, weil sie bei gleicher Menge an Kühlmittel zu einer größeren Kontaktfläche des Kühlmittels zur Rückscheibe führen als beispielsweise ein rechteckiges Profil.
Der Kanal erstreckt sich bevorzugt mäanderartig über das Strukturblech. Dadurch wird eine besonders vorteilhafte Kühlwirkung erzielt. Der Kanal weist dabei besonders bevorzugt zueinander parallele Abschnitte auf, die durch schleifenartige Abschnitte miteinander verbunden sind. Benachbarte parallele Abschnitte des Kanals haben bevorzugt einen Abstand von 5 mm bis 100 mm zueinander. Damit werden besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der Kühlung erzielt. Der Kanal ist bevorzugt vollständig mit dem Kühlmittel gefüllt. Damit wird eine besonders vorteilhafte Kühlwirkung erzielt.
Der Kühlmittel-Einlass und der Kühlmittelauslass sind bevorzugt an zumindest einer Seitenkante des Strukturblechs angeordnet. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine einfache Herstellung des erfindungsgemäßen Strukturblechs, weil der Kühlmittel- Einlass und der Kühlmittel-Auslass beim Einbringen des Kanals ohne weitere Verfahrensschritte wie beispielsweise Bohren bereitgestellt werden können. Die Leitung für die Kühlflüssigkeit weist dann zwei Öffnungen an zumindest einer Seitenkante des Strukturblechs auf, die mit einem Kühlmittel-Vorlauf und einem Kühlmittel-Rücklauf verbunden werden können. Ein solcher seitlicher Anschluss ist am Einsatzort deutlich platzsparender als ein Anschluss über die Rückseite des Strukturblechs, weil das Photovoltaik-Modul mit geringerem Abstand zum Untergrund, beispielsweise einem Gebäudedach, angeordnet werden kann. Der Kühlmittel-Einlass und der Kühlmittel-Auslass können an der gleichen oder an zwei unterschiedlichen Seitenkanten des Strukturblechs angeordnet sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Kühlmittel-Einlass und der Kühlmittel-Auslass an zwei gegenüberliegenden Seitenkanten des Strukturblechs angeordnet. Die Verbindung des Kanals mit einem Kühlmittel-Vorlauf und einem Kühlmittel- Rücklauf ist dann besonders einfach und platzsparend, weil der Kühlmittel-Vorlauf und der Kühlmittel-Rücklauf an gegenüberliegenden Seiten des Photovoltaik-Moduls angeordnet sein können. Insbesondere können mehrere erfindungsgemäße Photovoltaik-Module einfach parallel mit demselben Kühlmittel-Vorlauf und demselben Kühlmittel-Rücklauf verbunden werden.
Der Kanal ist bevorzugt durch Umformen eines im Ausgangszustand planen Strukturbleches in das Strukturblech eingebracht, beispielsweise durch Tiefziehen oder Hohlprägen.
Die Verbindung zwischen den Kontaktflächen des Strukturblechs und der Rückscheibe erfolgt bevorzugt mittels eines Klebstoffs. Der Klebstoff muss dabei dafür geeignet sein, eine gegenüber dem Kühlmittel dichte und chemisch wie mechanisch stabile Verbindung von Strukturblech und Rückscheibe bereitzustellen. Geeignete Klebstoffe sind beispielsweise Polyurethan-Klebstoffe. Die Kontaktflächen sind bevorzugt auf der gesamten der Rückscheibe zugewandten Oberfläche des Strukturblechs abzüglich des Bereichs des Kanals ausgebildet und komplett mit dem Klebstoff bedeckt. Damit wird vorteilhaft eine besonders stabile Verbindung zwischen Strukturblech und Rückscheibe erreicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind auf der von der Rückscheibe abgewandten Oberfläche des Strukturblechs ein oder mehrere Befestigungselemente angeordnet. Mittels der Befestigungselemente kann das Photovoltaik-Modul am Einsatzort beispielsweise an einem Gestell befestigt werden. Die Befestigung erfolgt beispielsweise durch Verschrauben, Klemmen, Kleben der Befestigungselemente und / oder durch Einschieben der Befestigungselemente in eine Schiene. Die Befestigungselemente sind bevorzugt im Randbereich des Strukturblechs angeordnet. Das erfindungsgemäße Strukturblech stellt durch die Befestigungselemente vorteilhaft eine Schnittstelle zur Befestigung des Photovoltaik-Moduls am Einsatzort bereit.
Die Befestigungselemente können beispielsweise einen winkelartigen Querschnitt aufweisen, wobei ein planer, parallel zur Rückseite der Rückscheibe ausgebildeter Teilbereich über die Seitenkanten des Photovoltaik-Moduls hinausragt. Die Befestigungselemente können beispielsweise durch Schweißen, Löten oder Kleben auf dem Strukturblech angebracht werden. Alternativ können die Befestigungselemente einstückig mit dem Strukturblech ausgebildet sein, wobei Seitenkanten oder überstehende Bereiche der Seitenkanten des im Ausgangszustand planen Strukturblechs zu einem Befestigungselement gebogen werden.
Prinzipiell kann jede geeignete, dem Fachmann bekannte Kühlflüssigkeit mit ausreichender Wärmeleitfähigkeit als Kühlmittel verwendet werden. Das Kühlmittel kann beispielsweise zumindest Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch enthalten. Das Kühlmittel kann auch Additive, Öle oder Gase enthalten.
Die Vorderscheibe enthält bevorzugt ein nichtvorgespanntes, teilvorgespanntes oder vorgespanntes oder ein gehärtetes, beispielsweise ein thermisch oder chemisch gehärtetes Glas. Die Vorderscheibe enthält bevorzugt Kalk-Natron-Glas, eisenarmes Kalk-Natron-Glas oder Borsilikatglas. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Stabilität des Photovoltaik-Moduls, den Schutz des photovoltaischen Schichtsystems vor mechanischer Beschädigung und die Transmission des Sonnenlichts durch die Vorderscheibe. Die Rückscheibe enthält in einer vorteilhaften Ausgestaltung ein nichtvorgespanntes, teilvorgespanntes oder vorgespanntes oder ein gehärtetes, beispielsweise ein thermisch oder chemisch gehärtetes Glas. Die Rückscheibe enthält bevorzugt Kalk-Natron-Glas, eisenarmes Kalk-Natron-Glas oder Borsilikatglas. Die Rückscheibe kann alternativ aber auch beispielsweise einen Kunststoff, beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polycarbonat, Polymethylmethacrylat und / oder Gemische davon, einen glasfaserverstärkten Kunststoff, eine Metall oder eine Metalllegierung, beispielsweise rostfreien Stahl enthalten.
Die Vorderscheibe und die Rückscheibe weisen bevorzugt jeweils eine Dicke von 0,1 mm bis 10 mm, beispielsweise von 1 ,5 mm bis 5 mm.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung haben die Vorderscheibe und / oder die Rückscheibe sehr geringe Dicken. Die Vorderscheibe und / oder die Rückscheibe weisen bevorzugt eine Dicke von 1 mm bis 6 mm auf, besonders bevorzugt von 2 mm bis 4 mm. Solche Photovoltaik-Module weisen ein vorteilhaft geringes Gewicht auf. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ist besonders für Photovoltaik-Module mit geringen Scheibendicken vorteilhaft, weil durch das erfindungsgemäße Strukturblech eine Verstärkung und Versteifung der Photovoltaik-Module erreicht wird, so dass keine zusätzlichen Verstärkungselemente aufgebracht werden müssen.
Die Fläche der Vorderscheibe und der Rückscheibe kann von 100 cm2 bis zu 18 m2 betragen, bevorzugt von 0,5 m2 bis 3 m2. Die Vorderscheibe und die Rückscheibe können plan oder gebogen sein.
Das photovoltaische Schichtsystem bewirkt die zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie erforderliche Ladungsträgertrennung. Das photovoltaische Schichtsystem umfasst bevorzugt zumindest eine photovoltaisch aktive Absorberschicht zwischen einer Frontelektrodenschicht und einer Rückelektrodenschicht. Die Frontelektrodenschicht ist dabei auf der zum Lichteinfall hingewandten Seite der Absorberschicht angeordnet. Die Rückelektrodenschicht ist auf der vom Lichteinfall abgewandten Seite der Absorberschicht angeordnet. Die photovoltaisch aktive Absorberschicht ist erfindungsgemäß nicht auf einen bestimmten Typ beschränkt. Die Absorberschicht kann beispielsweise monokristallines, polykristallines, mikromorphes oder amorphes Silizium, halbleitende organische Polymere oder Oligomere, Cadmium-Tellurid (CdTe), Gallium-Arsenid (GaAs) oder Cadmium-Selenid (CdSe) enthalten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält die Absorberschicht einen p- leitenden Chalkopyrithalbleiter wie eine Verbindung der Gruppe Kupfer-Indium- Schwefel/Selen (CIS), beispielsweise Kupfer-Indium-Diselenid (CulnSe2), oder eine Verbindung der Gruppe Kupfer-Indium-Gallium-Schwefel/Selen (CIGS), beispielsweise Cu(lnGa)(SSe)2. Photovoltaik-Module mit CI(G)S-basierten Absorberschichten weisen einen besonders hohen Temperaturkoeffizienten auf, also eine besonders starke Verringerung des Wirkungsgrades mit steigender Temperatur. Der Temperaturkoeffizient bezüglich der Leistung liegt etwa im Bereich von -0,35 %/°C bis -0,5 %/°C. Die Temperaturabhängigkeit des Wirkungsgrads ist damit deutlich ausgeprägter als beispielsweise bei Photovoltaik- Modulen mit einer Absorberschicht basierend auf amorphem Silizium (etwa von -0,18 %/°C bis -0,23 %/°C) oder Cadmium-Tellurid (etwa von -0,18 %/°C bis -0,25 %/°C). Bei solchen Photovoltaik-Modulen werden daher durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung besonders gute Ergebnisse erzielt.
In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält die Absorberschicht polykristallines Silizium. Auch ein Photovoltaik-Modul mit einer solchen Absorberschicht weist einen hohen Temperaturkoeffizienten etwa im Bereich von -0,32 %/°C bis -0,51 %/°C auf. Durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung kann der Wirkungsgrad besonders vorteilhaft gesteigert werden.
Auch Photovoltaik-Module auf der Basis von monokristallinem Silizium weisen einen hohen Temperaturkoeffizienten etwa im Bereich von -0,32 %/°C bis -0,51 %/°C auf. Durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung kann der Wirkungsgrad besonders vorteilhaft gesteigert werden.
Die angegebenen Werte für die Temperaturkoeffizienten sind folgender Veröffentlichung entnommen: Volker Quaschning, Regenerative Energiesysteme, Carl Hanser Verlag 2009, S. 190 (ISBN 978-3446421516). Die Absorberschicht hat bevorzugt eine Schichtdicke von 500 nm bis 5 μηη, besonders bevorzugt von 1 μηη bis 3 μηη. Die Absorberschicht kann mit Metallen, bevorzugt Natrium dotiert sein.
Das photovoltaische Schichtsystem kann auf der Vorderseite der Rückscheibe aufgebracht sein (Substrat-Konfiguration). Das photovoltaische Schichtsystem kann alternativ auf der Rückseite der Vorderscheibe aufgebracht sein (Superstrat-Konfiguration). Die Substrat- Konfiguration und die Superstrat-Konfiguration sind insbesondere bei Dünnschicht- Photovoltaik-Modulen üblich.
Das photovoltaische Schichtsystem kann alternativ aber auch zwischen einer ersten und einer zweiten Folie der Zwischenschicht angeordnet sein, wie es insbesondere bei Photovoltaik-Modulen mit kristalliner Absorberschicht üblich ist. Das photovoltaische Schichtsystem ist dann im Sinne der Erfindung in der Zwischenschicht angeordnet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Photovoltaik-Modul die Substrat-Konfiguration auf. Dabei wird eine besonders effektive Kühlung der photovoltaischen Struktur durch das erfindungsgemäße Strukturblech auf der Rückseite der Rückscheibe erreicht.
Die Rückelektrodenschicht kann beispielsweise zumindest ein Metall enthalten, bevorzugt Molybdän, Titan, Wolfram, Nickel, Titan, Chrom und / oder Tantal. Die Rückelektrodenschicht weist bevorzugt eine Schichtdicke von 300 nm bis 600 nm auf. Die Rückelektrodenschicht kann einen Schichtstapel unterschiedlicher Einzelschichten umfassen. Vorzugsweise enthält der Schichtstapel eine Diffusionssperrschicht aus beispielsweise Siliziumnitrid, um eine Diffusion von beispielsweise Natrium aus dem Substrat in die photovoltaisch aktive Absorberschicht zu verhindern.
Die Frontelektrodenschicht ist im Spektralbereich, in dem die Absorberschicht empfindlich ist, transparent. Die Frontelektrodenschicht kann beispielsweise einen n-leitenden Halbleiter enthalten, bevorzugt Aluminium-dotiertes Zinkoxid oder Indium-Zinnoxid. Die Frontelektrodenschicht weist bevorzugt eine Schichtdicke von 500 nm bis 2 μιη auf. Die Elektrodenschichten können auch Silber, Gold, Kupfer, Nickel, Chrom, Wolfram, Zinnoxid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und / oder Kombinationen sowie Gemische davon enthalten.
Das photovoltaische Schichtsystem weist bevorzugt einen umlaufenden Abstand zu den Außenkanten des Photovoltaik-Moduls von 5 mm bis 20 mm, besonders bevorzugt von 10 mm bis 15 mm auf, um gegenüber Feuchtigkeitseintritt oder Verschattung durch Befestigungselemente am Rand geschützt zu sein.
Die Rückseite der Vorderscheibe ist über zumindest eine Zwischenschicht mit der Vorderseite der Rückscheibe verbunden. Die Verbindung zwischen Vorderscheibe und Rückscheibe erfolgt großflächig über das photovoltaische Schichtsystem. Die Zwischenschicht enthält bevorzugt thermoplastische Kunststoffe, wie Polyvinylbutyral (PVB) und / oder Ethylenvinylacetat (EVA) oder mehrere Schichten davon, bevorzugt mit Dicken von 0,3 mm bis 0,9 mm. Die Zwischenschicht kann auch Polyurethan (PU), Polypropylen (PP), Polyacrylat, Polyethylen (PE), Polycarbonat (PC), Polymethylmetacrylat, Polyvinylchlorid, Polyacetatharz, Gießharze, Acrylate, Fluorinierte Ethylen-Propylene, Polyvinylfluorid, Ethylen-Tetrafluorethylen, Copolymere und / oder Gemische davon enthalten.
Die Frontelektrodenschicht und die Rückelektrodenschicht sind durch an sich bekannte Elemente elektrisch kontaktiert, beispielsweise mittels Sammelleiter (bus bars) und Folienleiter. Die Folienleiter können beispielsweise seitlich im Bereich der Zwischenschicht oder durch zumindest ein Loch in der Rückscheibe im Bereich der Kontaktflächen des Strukturblechs aus dem Photovoltaik-Modul geführt sein.
Die Vorderscheibe und / oder die Rückscheibe können an sich bekannte Beschichtungen aufweisen, beispielsweise Antireflektionsschichten, Antihaftschichten, Antikratzschichten und / oder Diffusionssperrschichten. Das Photovoltaik-Modul kann weitere an sich bekannte Elemente umfassen, wie Befestigungsmittel, Rahmen und/ oder Beschläge.
Das erfindungsgemäße Photovoltaik-Modul wird bevorzugt innerhalb einer Anordnung betrieben. Die erfindungsgemäße Anordnung zum Kühlen eines Photovoltaikmoduls umfasst zumindest die folgenden Merkmale:
- mindestens ein erfindungsgemäßes Photovoltaik-Modul, - einen Kühlmittel-Vorlauf, der mit dem Kühlmittel-Einlass des Strukturblechs des Photovoltaik-Moduls verbunden ist,
- einen Kühlmittel-Rücklauf, der mit dem Kühlmittel-Auslass des Strukturblechs des Photovoltaik-Moduls verbunden ist,
- eine Kühlmittel-Kühlung mit mindestens einem Kühlmittel-Einlass und mindestens einem Kühlmittel-Auslass, wobei der Kühlmittel-Einlass der Kühlmittel-Kühlung mit dem Kühlmittel- Rücklauf verbunden ist und der Kühlmittel-Auslass der Kühlmittel-Kühlung mit dem Kühlmittel-Vorlauf verbunden ist, und
- ein flüssiges Kühlmittel im Kanal des Strukturblechs, dem Kühlmittel-Vorlauf, dem Kühlmittel-Rücklauf und der Kühlmittel-Kühlung.
Die durch den Kanal im Strukturblech und die Rückseite der Rückscheibe gebildete Leitung, der Kühlmittel-Vorlauf, die Kühlmittel-Kühlung und der Kühlmittel-Rücklauf bilden einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf. Das im Bereich des Photovoltaik-Moduls erwärmte Kühlmittel wird über den Kühlmittel-Rücklauf der Kühlmittel-Kühlung zugeführt, wo das Kühlmittel Wärme abgibt und dabei auf eine geringere Temperatur gekühlt wird. Das gekühlte Kühlmittel wird über den Kühlmittel-Vorlauf wieder in den Kanal des Strukturblechs eingeleitet. Durch die Kühlmittel-Kühlung wird eine besonders effektive Kühlwirkung für das Photovoltaik-Modul erreicht.
Der Kühlmittel-Vorlauf und der Kühlmittel-Rücklauf können beispielsweise als Rohre und / oder Schlauchleitungen ausgestaltet sein. Die Verbindung zwischen dem Kanal des Strukturblechs und dem Kühlmittel-Vorlauf beziehungsweise dem Kühlmittel-Rücklauf kann beispielsweise über ein Verbindungsstück wie ein Verbindungsrohr erfolgen, dass abdichtend mit dem Strukturblech verklebt, verschraubt, verschweißt oder verlötet wird. Zur Abdichtung der Verbindung zwischen dem Kanal und dem Kühlmittel-Vorlauf beziehungsweise dem Kühlmittel-Rücklauf können auch geeignete Abdichtmittel verwendet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Anordnung zum Kühlen eines Photovoltaik- Moduls weiter eine Pumpe, die dazu geeignet ist, das Kühlmittel durch den geschlossenen Kühlmittelkreislauf zu pumpen. Der Umlauf des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf wird aktiv mittels der Pumpe erreicht, was zu einer besonders vorteilhaften Kühlwirkung führt. Der Umlauf des Kühlmittels kann alternativ aber auch bei geeigneter Positionierung von Kühlmittel-Vorlauf, Kühlmittel-Rücklauf, Kühlmittel-Kühlung und Photovoltaik-Modul durch die vom erwärmten Kühlmittel hervorgerufene Konvektion erreicht werden.
Die Kühlmittel-Kühlung ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung als Lüftkühlung ausgebildet. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine einfache, platzsparende und kostengünstige Herstellung der Anordnung und eine geringe Wartungsintensivitat der Anordnung. Dabei umfasst die Kühlmittel-Kühlung bevorzugt zumindest ein Rohr, welches zwischen dem Kühlmittel-Vorlauf und dem Kühlmittel-Rücklauf verläuft. Das Rohr weist bevorzugt eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf und enthält beispielsweise zumindest Kupfer, Aluminium, Stahl oder andere geeignete Materialien. Das Rohr kann gerade oder beispielsweise schleifen- oder mäanderartig vom Kühlmittel-Rücklauf zum Kühlmittel-Vorlauf verlaufen. Es können auch mehrere Rohre parallel mit dem Kühlmittel-Vorlauf und dem Kühlmittel-Rücklauf verbunden sein.
Die Kühlmittel-Kühlung kann aber auch beispielsweise durch einen Wärmetauscher mit einem sekundären Kühlmittelkreislauf realisiert sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind mehrere Photovoltaikmodule, beispielsweise von 2 bis 40 Photovoltaik-Module, mit dem Kühlmittel-Vorlauf und dem Kühlmittel-Rücklauf verbunden. Die Kühlung der mehreren Photovoltaik-Module wird dabei vorteilhaft durch denselben Kühlmittel-Kreislauf erreicht. Eine besonders vorteilhafte Kühlung wird erreicht, wenn die mehreren Photovoltaik-Module parallel mit dem Kühlmittel-Vorlauf und dem Kühlmittel-Rücklauf verbunden sind. Die mehreren Photovoltaik-Module können prinzipiell aber auch in Reihe mit dem Kühlmittel-Vorlauf und dem Kühlmittel-Rücklauf verbunden sein.
Der Kühlmittelkreislauf kann weitere, dem Fachmann als geeignet erscheinende Elemente enthalten, wie Absperrhähne, Ventile, beispielsweise ein Entlüftungsventil, oder verschließbare Öffnungen zum Einfüllen und zum Austausch des Kühlmittels.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiter durch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Photovoltaik-Moduls gelöst, wobei zumindest
(a) mindestens ein zwischen dem Kühlmittel-Einlass und dem Kühlmittel-Auslass verlaufender Kanal in das Strukturblech eingebracht wird,
(b) das Strukturblech über mindestens zwei Kontaktflächen, die durch den Kanal voneinander getrennt sind, mit der Rückseite der Rückscheibe verbunden wird und (c) der Kanal zumindest teilweise mit einem flüssigen Kühlmittel gefüllt wird.
Der Kanal wird bevorzugt durch Umformen in einem im Ausgangszustand planen Strukturblech ausgebildet, beispielsweise durch Tiefziehen oder Hohlprägen.
Zur Bereitstellung des laminierten Verbundes aus übereinander angeordneter Rückscheibe, photovoltaischem Schichtsystem und Vorderscheibe wird das photovoltaische Schichtsystem auf die Vorderseite der Rückscheibe oder auf die Rückseite der Vorderscheibe aufgebracht wird oder in die Zwischenschicht eingelegt. Danach wird die Vorderseite der Rückscheibe mit der Rückseite der Vorderscheibe über die Zwischenschicht unter Einwirkung von Hitze, Vakuum und / oder Druck verbunden, beispielsweise durch Autoklavverfahren, Vakuumsackverfahren, Vakuumringverfahren, Kalanderverfahren, Vakuumlaminatoren oder durch Kombinationen davon.
Ist das Photovoltaik-Modul ein Dünnschicht-Photovoltaik-Modul, so werden die einzelnen Schichten des photovoltaischen Schichtsystems bevorzugt durch Kathodenzerstäuben, Aufdampfen oder chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD) aufgebracht. Das Einlegen des photovoltaischen Schichtsystems in die Zwischenschicht umfasst das Anordnen des photovoltaischen Schichtsystems zwischen einer ersten und einer zweiten Schicht der Zwischenschicht.
Das Bereitstellen des laminierten Verbundes aus übereinander angeordneter Rückscheibe, photovoltaischem Schichtsystem und Vorderscheibe und das Einbringen des Kanals in das Strukturblech können in jeder beliebigen zeitlichen Reihenfolge erfolgen. Das Verbinden des Strukturblechs mit der Rückscheibe erfolgt zeitlich nach dem Bereitstellen des laminierten Verbundes aus übereinander angeordneter Rückscheibe, photovoltaischem Schichtsystem und Vorderscheibe.
Das Verbinden von Strukturblech und Rückscheibe erfolgt bevorzugt durch Verkleben.
Bevorzugt werden die Rück- und / oder die Frontelektrodenschicht zur elektrischen Kontaktierung nach dem Aufbringen des photovoltaischen Schichtsystems und vor dem Verbinden von Vorderscheibe und Rückscheibe mit beispielsweise einem Folienleiter elektrisch leitend verbunden. Die elektrisch leitende Verbindung erfolgt beispielsweise durch Schweißen, Bonden, Löten, Klemmen oder Kleben mit einem elektrisch leitfähigen Kleber. Die Verbindung von Folienleiter mit der Rück- und / oder die Frontelektrodenschicht kann auch über einen Sammelleiter erfolgen.
Das Verfahren kann weitere, an sich bekannte Schritte umfassen, beispielsweise das Unterteilen des photovoltaischen Schichtsystems in einzelne photovoltaisch aktive Bereiche (sogenannte Solarzellen) durch Einschnitte in einzelne Schichten oder einzelne Gruppen von Schichten des Schichtsystems oder das Erzeugen eines beschichtungsfreien Randbereichs.
In einer bevorzugten Ausführung wird zeitlich zwischen den Verfahrensschritten (b) und (c) ein Kühlmittel-Vorlauf und dem Kühlmittel-Einlass des Strukturblechs und ein Kühlmittel- Rücklauf mit dem Kühlmittel-Auslass des Strukturblechs verbunden. Der Kühlmittel-Vorlauf wird außerdem mit einem Kühlmittel-Auslass einer Kühlmittel-Kühlung verbunden und der Kühlmittel-Rücklauf wird mit einem Kühlmittel-Einlass der Kühlmittel-Kühlung verbunden. Der Kanal, der Kühlmittel-Vorlauf, der Kühlmittel-Rücklauf und die Kühlmittel-Kühlung werden danach mit dem flüssigen Kühlmittel zumindest teilweise gefüllt, beispielsweise über verschließbaren Öffnungen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst die Verwendung eines erfindungsgemäßen Photovoltaik-Moduls mit Kühlvorrichtung auf einem Dach eines Gebäudes oder eines Fahrzeugs zur Fortbewegung auf dem Wasser, auf dem Land oder in der Luft, auf einer Gebäudefassade oder auf Freifeldern.
Die Erfindung umfasst außerdem die Verwendung eines erfindungsgemäßen Strukturblechs auf der Rückseite der Rückscheibe eines Photovoltaik-Moduls zur Kühlung des photovoltaischen Schichtsystems, bevorzugt auf eine Temperatur von 20°C bis 50°C.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung und nicht maßstabsgetreu. Die Zeichnung schränkt die Erfindung in keiner Weise ein. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf die vom Lichteinfall abgewandte Seite eines erfindungsgemäßen Photovoltaik-Moduls mit Kühlvorrichtung,
Fig. 2 einen Schnitt entlang A-A' durch das Photovoltaik-Modul gemäß Figur 1 ,
Fig. 2a eine vergrößerte Darstellung des Abschnitts Z aus Figur 2,
Fig. 3 einen Schnitt entlang B-B' durch das Photovoltaik-Modul gemäß Figur 1 ,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Kühlen eines Photovoltaik-Moduls und
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Flussdiagramms.
Fig. 1 , Fig. 2, Fig. 2a und Fig. 3 zeigen je ein Detail eines erfindungsgemäßen Photovoltaik- Moduls 100 mit Kühlvorrichtung. Das Photovoltaik-Modul 100 umfasst eine Vorderscheibe 1 mit einer Vorderseite (I) und einer Rückseite (II) und eine Rückscheibe 2 mit einer Vorderseite (III) und einer Rückseite (IV). Die Vorderseite (I) der Vorderscheibe 1 ist zum Lichteinfall hingewandt. Auf die Vorderseite (III) der Rückscheibe 2 ist ein photovoltaisches Schichtsystem 3 aufgebracht. Die Rückseite (II) und die Vorderseite (III) sind großflächig über das photovoltaische Schichtsystem 3 mittels einer Zwischenschicht 4 miteinander verbunden. Die Vorderscheibe 1 , die Rückscheibe 2, das photovoltaische Schichtsystem 3 und die Zwischenschicht 4 bilden einen laminierten Verbund 101. Die Vorderscheibe 1 ist für Sonnenlicht transparent und besteht aus gehärtetem, extraweißem Glas mit geringem Eisengehalt. Die Rückscheibe 2 besteht aus Natron-Kalk-Glas. Die Vorderscheibe 1 und die Rückscheibe 2 weisen eine Dicke von 2,85 mm auf. Das Photovoltaik-Modul 100 weist eine Größe von 1 ,6 m x 0,7 m auf. Die Zwischenschicht 4 enthält Polyvinylbutyral (PVB) und weist eine Schichtdicke von 0,76 mm auf.
Das Photovoltaik-Modul 100 ist ein CIS-Dünnschicht-Photovoltaik-Modul in Substrat- Konfiguration. Das photovoltaische Schichtsystem 3 umfasst eine auf der Vorderseite (III) der Rückscheibe 2 angeordnete Rückelektrodenschicht 10, die Molybdän enthält und eine Schichtdicke von etwa 300 nm aufweist. Das photovoltaische Schichtsystem 3 enthält weiter eine photovoltaisch aktive Absorberschicht 1 1 , welche Natrium-dotiertes Cu(lnGa)(SSe)2 enthält und eine Schichtdicke von etwa 2 μιη aufweist. Das photovoltaische Schichtsystem 3 enthält weiter eine Frontelektrodenschicht 12, die Aluminium-dotiertes Zinkoxid (AZO) enthält und eine Schichtdicke von etwa 1 μιη aufweist. Zwischen Frontelektrodenschicht 12 und Absorberschicht 11 ist eine Pufferschicht 13 angeordnet, die eine Einzellage Cadmiumsulfid (CdS) und eine Einzellage intrinsisches Zinkoxid (i-ZnO) enthält. Die Pufferschicht bewirkt eine elektronische Anpassung zwischen Absorberschicht 1 1 und Frontelektrodenschicht 12. Das photovoltaische Schichtsystem 3 ist mit an sich bekannten Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht-Photovotaik-Moduls in einzelne photovoltaisch aktive Bereiche, sogenannte Solarzellen unterteilt, die über einen Bereich der Rückelektrodenschicht 10 seriell miteinander verschaltet sind. Das photovoltaische Schichtsystem 3 ist im Randbereich der Rückscheibe 2 mit einer Breite von 15 mm mechanisch abrasiv entschichtet. Die Frontelektrodenschicht 12 und die Rückelektrodenschicht 10 sind über nicht dargestellte Folienleiter in an sich bekannter Weise elektrisch kontaktiert.
Auf der Rückseite (IV) der Rückscheibe 2 ist ein Strukturblech 5 angeordnet. Das Strukturblech 5 besteht aus Stahl und weist eine Dicke von 0,8 mm auf. In das Strukturblech 5 ist durch Tiefziehen ein Kanal 6 eingebracht. An zwei gegenüberliegenden Seitenkanten des Strukturblechs 5 wird durch den Kanal 6 ein Kühlmittel-Einlass 19 und ein Kühlmittel- Auslass 20 ausgebildet Der Kanal 6 verläuft mäanderartig zwischen dem Kühlmittel-Einlass 19 und dem Kühlmittel-Auslass 20. Der Kanal 6 weist gerade, parallel zueinander angeordnete Abschnitten auf, wobei benachbarte gerade Abschnitte durch schleifenartige Abschnitte miteinander verbunden sind. Die Breite b des Kanals 6 ist zur besseren Veranschaulichung sehr groß dargestellt. In einer realen Ausgestaltung weist der Kanal 6 beispielsweise eine Breite b von 20 mm auf und entsprechend eine deutlich größere Anzahl der mäanderartigen Windungen. Benachbarte geraden Abschnitte des Kanals 6 haben beispielsweise einen Abstand von 20 mm zueinander.
Auf der der Rückscheibe 2 zugewandten Oberfläche des Strukturblechs 5 sind zwei Kontaktflächen 7, 7' ausgebildet, die durch den Kanal 6 voneinander getrennt sind. Die Kontaktflächen 7, T sind in einer planen Ebene angeordnet. Das Strukturblech 5 ist über die Kontaktflächen 7, T mit der Rückseite (IV) der Rückscheibe 2 mittels eines Klebstoffs 18 verbunden ist. Durch den Kanal 6 und die Rückseite (IV) wird eine Kühlmittel-Leitung (L) gebildet, die mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten flüssigen Kühlmittel gefüllt ist. Durch den Klebstoff 18, welcher ein Polyurethan-Klebstoff ist, wird eine dauerhaft stabile und gegenüber dem Kühlmittel dichte Verbindung zwischen Strukturblech 5 und Rückscheibe 2 bereitgestellt. Der Kühlmittel-Einlass 19 und der Kühlmittel-Auslass 20 stellen Öffnungen der Leitung (L) bereit, welche zum Anschluss eines Kühlmittel-Vorlaufs und eines Kühlmittel-Rücklaufs innerhalb eines Kühlkreislaufs vorgesehen sind.
Der Kanal 6 weist im Querschnitt senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung die Form eines Trapezes auf. Nur im Bereich der Seitenkanten ist der Querschnitt rund ausgestaltet, um einfacher mit dem Kühlmittel-Vorlauf beziehungsweise -Rücklauf verbunden werden zu können. Der Kanal 6 weist eine Tiefe t von 5 mm auf.
Im Randbereich der von der Rückscheibe 2 abgewandten Oberfläche des Strukturblechs 5 sind Befestigungselemente 8 angeschweißt. Die Befestigungselemente 8 bestehen aus Stahl und weisen ein winkelartiges Profil auf, wobei ein Bereich jedes Befestigungselements 8 über die Seitenkanten des Photovoltaikmoduls 100 übersteht. Über die überstehenden Bereiche der Befestigungselemente 8 kann das Photovoltaik-Modul 100 auf einem Gestell befestigt werden, beispielsweise durch Verschrauben oder Einschieben in eine Trägerschiene.
Durch das erfindungsgemäße Strukturblech 5 wird eine einfach und kostengünstig herzustellende und platzsparende Leitung (L) für ein flüssiges Kühlmittel bereitgestellt. Durch die Kühlung des Photovoltaik-Moduls 100 kann die Temperatur des photovoltaischen Schichtsystems 3 im Betrieb in einem Bereich von etwa 20°C bis 50°C gehalten werden. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie deutlich erhöht. Eine solche Kühlung ist insbesondere bei CIS-Dünnschicht- Photovoltaik-Modulen aufgrund ihres hohen Temperaturkoeffizienten besonders vorteilhaft. Die seitlichen Öffnungen der durch das Strukturblech 5 ausgebildeten Leitung erlauben den Anschluss eines Kühlmittel-Vorlaufs und eines Kühlmittel-Rücklaufs im Bereich der Seitenkanten des Photovoltaik-Moduls 100. Ein solcher seitlicher Anschluss ist am Einsatzort deutlich platzsparender als ein Anschluss über die Rückseite des Strukturblechs 5, weil das Photovoltaik-Modul 100 mit geringerem Abstand zum Untergrund, beispielsweise einem Gebäudedach, angeordnet werden kann. Das Strukturblech 5 führt außerdem zu einer Verstärkung und Versteifung des Photovoltaik-Moduls 100, was aufgrund der geringen Dicke der Vorderscheibe 1 und der Rückscheibe 2 vorteilhaft ist. Zusätzliche Verstärkungselemente sind nicht notwendig. Außerdem stellt das Strukturblech 5 durch die Befestigungselemente 8 die Schnittstelle zur Befestigung des Photovoltaik-Moduls 100 am Einsatzort dar. Das sind große Vorteile der vorliegenden Erfindung. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Kühlen eines Photovoltaik-Moduls. Die Anordnung umfasst beispielhaft drei erfindungsgemäße Photovoltaik-Module 100. Der Kanal 6 des Strukturblechs 5 jedes Photovoltaik-Moduls 100 ist über den Kühlmittel-Einlass 19 mit einem Kühlmittel-Vorlauf 14 verbunden. Der Kanal 6 des Strukturblechs 5 jedes Photovoltaik-Moduls 100 ist über den Kühlmittel-Auslass 20 mit einem Kühlmittel-Rücklauf 15 verbunden. Die Photovoltaik-Module 100 sind parallel mit dem Kühlmittel-Vorlauf 14 und dem Kühlmittel-Rücklauf 15 verbunden, so dass das Kühlmittel zwischen Kühlmittel-Vorlauf 14 und Kühlmittel-Rücklauf 15 jeweils nur ein Photovoltaik-Modul 100 durchläuft. Der Kühlmittel-Vorlauf 14 und der Kühlmittel- Rücklauf 15 sind als Rohre aus Stahl ausgebildet. Die Verbindung zwischen dem Kanal 6 und dem Kühlmittel-Einlass 19 beziehungsweise dem Kühlmittel-Auslass 20 erfolgt jeweils über ein Verbindungsstück 9. Jedes Verbindungsstück 9 umfasst zwei kurze Metallrohre und einen zwischen den Metallrohren angeordneten und an die Metallrohre angeklemmten Schlauch. Ein Metallrohr ist mit dem Strukturblech 5 im Bereich des Kühlmittel-Einlasses 19 (beziehungsweise des Kühlmittelauslasses 20) verschweißt, das andere Metallrohr ist mit dem Kühlmittel-Vorlauf 14 (beziehungsweise dem Kühlmittel-Rücklauf 15) verbunden, beispielsweise mittels Gewinden verschraubt. Die Anordnung umfasst weiter eine Pumpe 16, welche zwischen zwei Abschnitten des Kühlmittel-Vorlaufs 14 angeordnet ist.
Der Kühlmittel-Vorlauf 14 und der Kühlmittel-Rücklauf 15 sind abseits der Photovoltaik- Module 100 über eine Kühlmittel-Kühlung 17 miteinander verbunden. Die Kühlmittel-Kühlung 17 ist eine Luftkühlung und umfasst vier Rohre 23 aus Stahl, welche parallel zwischen dem Kühlmittel-Vorlauf 14 und dem Kühlmittel-Rücklauf 15 verlaufen. Jedes Rohr 23 der Kühlmittel-Kühlung 17 weist einen Kühlmittel-Einlass 21 und einen Kühlmittel-Auslass 22 auf, wobei der Kühlmittel-Einlass 21 mit dem Kühlmittel-Rücklauf 15 und der Kühlmittel- Auslass 22 mit dem Kühlmittel-Vorlauf 14 verbunden ist, beispielsweise mittels Gewinden verschraubt.
Die durch die Kanäle 6 der Strukturbleche 5 und die Rückscheiben 2 ausgebildeten Leitungen (L), den Kühlmittel-Vorlauf 14 mit der Pumpe 16, den Kühlmittel-Rücklauf 15, die Verbindungsstücke 9 und die Kühlmittel-Kühlung 17 wird ein geschlossener Kühlmittelkreislauf bereitgestellt. Der Kühlmittelkreislauf ist beispielsweise mit Wasser als Kühlmittel gefüllt. Das Kühlmittel wird durch die Pumpe 16 durch den Kühlmittelkreislauf gepumpt. Im Bereich der Photovoltaik-Module 100 nimmt das Kühlmittel Wärme von den Photovoltaik-Modulen 100 auf und führt dadurch zu einer Temperaturerniedrigung der photovoltaischen Schichtsysteme 3. Das erwärmte Kühlmittel gibt die Wärme durch die Kühlmittel-Kühlung 17 an die Umgebungsluft ab. Die Temperatur der photovoltaischen Schichtsysteme 3 kann so dauerhaft in einem Bereich von 20°C bis 50°C gehalten werden.
Fig. 5 zeigt beispielhaft das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaik-Moduls mit Kühlvorrichtung.
Es war für den Fachmann unerwartet und überraschend, dass durch das erfindungsgemäße Strukturblech auf einfache, platzsparende und kostengünstige Weise eine effektive Kühlung des photovoltaischen Schichtsystems eines Photovoltaik-Moduls erreicht werden kann. Es war für den Fachmann weiter unerwartet und überraschend, dass durch das erfindungsgemäße Strukturblech zugleich eine Verstärkung und Versteifung des Photovoltaik-Moduls und eine Schnittstelle zur Befestigung des Photovoltaik-Moduls bereitgestellt werden kann.
Bezugszeichenliste:
(1 ) Vorderscheibe
(2) Rückscheibe
(3) photovoltaisches Schichtsystem
(4) Zwischenschicht
(5) Strukturblech
(6) Kanal
(7) Kontaktfläche des Strukturblechs 5
(7') Kontaktfläche des Strukturblechs 5
(8) Befestigungselement
(9) Verbindungsstück
(10) Rückelektrodenschicht
(1 1 ) Absorberschicht
(12) Frontelektrodenschicht
(13) Pufferschicht
(14) Kühlmittel-Vorlauf (15) Kühlmittel-Rücklauf
(16) Pumpe
(17) Kühlmittel-Kühlung
(18) Klebstoff
(19) Kühlmittel-Einlass des Strukturblechs 5
(20) Kühlmittel-Auslass des Strukturblechs 5
(21 ) Kühlmittel-Einlass der Kühlmittel-Kühlung 17
(22) Kühlmittel-Auslass der Kühlmittel-Kühlung 17
(23) Rohr
(100) Photovoltaik-Modul
(101 ) laminierter Verbund aus Vorderscheibe 1 , photovoltaischem Schichtsystem 3 und Rückscheibe 2
(L) Kühlmittel-Leitung b Breite des Kanals 6
t Tiefe des Kanals 6
I Vorderseite der Vorderscheibe 1
II Rückseite der Vorderscheibe 1
III Vorderseite der Rückscheibe 2
IV Rückseite der Rückscheibe 2
A-A' Schnittlinie
B-B' Schnittlinie
Z Abschnitt des Photovoltaik-Moduls 100

Claims

Patentansprüche
1. Photovoltaik-Modul (100) mit Kühlvorrichtung, mindestens umfassend:
- einen laminierten Verbund (101 ) aus übereinander angeordneter Rückscheibe (2), photovoltaischem Schichtsystem (3) und Vorderscheibe (1 ) und
- ein auf der Rückseite (IV) der Rückscheibe (2) angeordnetes Strukturblech (5), wobei
- in das Strukturblech (5) mindestens ein zwischen einem Kühlmittel-Einlass (19) und einem Kühlmittel-Auslass (20) verlaufender Kanal (6) eingebracht ist,
- auf der Oberfläche des Strukturblechs (5) mindestens zwei Kontaktflächen (7, 7') ausgebildet sind, die durch den Kanal (6) voneinander getrennt sind und über die das Strukturblech (5) mit der Rückseite (IV) verbunden ist, und
- der Kanal (6) zumindest teilweise mit einem flüssigen Kühlmittel gefüllt ist.
2. Photovoltaik-Modul (100) nach Anspruch 1 , wobei der Kanal (6) durch Umformen in dem Strukturblech (5) ausgebildet ist und eine Vertiefung auf der zur Rückscheibe (2) hingewandten Oberfläche des Strukturblechs (5) und eine Erhebung auf der von der Rückscheibe (2) abgewandten Oberfläche des Strukturblechs (5) bildet.
3. Photovoltaik-Modul (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei durch den Kanal (6) und die Rückseite (IV) eine Kühlmittel-Leitung (L) gebildet wird.
4. Photovoltaik-Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kühlmittel- Einlass (19) und der Kühlmittel-Auslass (20) an zumindest einer Seitenkante des Strukturblechs (5), bevorzugt an zwei gegenüberliegenden Seitenkanten, angeordnet sind und wobei der Kanal (6) bevorzugt mäanderartig verläuft.
5. Photovoltaik-Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Strukturblech (5) zumindest Stahl und / oder Aluminium enthält.
6. Photovoltaik-Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Strukturblech (5) eine Dicke von 0,1 mm bis 3,0 mm, bevorzugt von 0,3 mm bis 0,8 mm aufweist und wobei die Dicke des Strukturblechs (5) bevorzugt konstant ist.
7. Photovoltaik-Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Kanal (6) eine Tiefe t von 0,5 mm bis 20 mm, bevorzugt von 2 mm bis 10 mm aufweist und bevorzugt eine Breite b von 2 mm bis 50 mm, besonders bevorzugt von 5 mm bis 20 mm aufweist.
8. Photovoltaik-Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Strukturblech (5) über einen Klebstoff (18), bevorzugt einen Polyurethan-Klebstoff mit der ückscheibe (2) verbunden ist.
9. Photovoltaik-Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei auf der von der Rückscheibe (2) abgewandten Oberfläche des Strukturblechs (5) zumindest ein Befestigungselement (8) angeordnet ist.
10. Photovoltaik-Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das photovoltaische Schichtsystem (3) zumindest eine photovoltaisch aktive Absorberschicht (1 1 ) zwischen einer Frontelektrodenschicht (12) und einer Rückelektrodenschicht (10) aufweist und wobei die photovoltaisch aktive Absorberschicht (1 1 ) zumindest polykristallines Silizium oder Kupfer-lndium(Gallium)- Schwefel/Selen (CI(G)S) enthält und wobei das photovoltaische Schichtsystem bevorzugt auf der Vorderseite (III) der Rückscheibe (2) angeordnet ist.
1 1. Anordnung zum Kühlen eines Photovoltaik-Moduls, zumindest umfassend:
- mindestens ein Photovoltaik-Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
- einen Kühlmittel-Vorlauf (14), der mit dem Kühlmittel-Einlass (19) verbunden ist,
- einen Kühlmittel-Rücklauf (15), der mit dem Kühlmittel-Auslass (20) verbunden ist,
- eine Kühlmittel-Kühlung (17) mit mindestens einem Kühlmittel-Einlass (21 ) und mindestens einem Kühlmittel-Auslass (22), wobei der Kühlmittel-Einlass (21 ) mit dem Kühlmittel-Rücklauf (15) verbunden ist und der Kühlmittel-Auslass (22) mit dem Kühlmittel-Vorlauf (14) verbunden ist, und
- ein flüssiges Kühlmittel im Kanal (6), dem Kühlmittel-Vorlauf (14), dem Kühlmittel- Rücklauf (15) und der Kühlmittel-Kühlung (17).
12. Anordnung nach Anspruch 1 1 , die eine Pumpe (16) umfasst, welche dazu geeignet ist, das Kühlmittel durch den Kanal (6), den Kühlmittel-Vorlauf (14), den Kühlmittel- Rücklauf (15) und die Kühlmittel-Kühlung (17) zu pumpen.
13. Anordnung nach Anspruch 1 1 oder 12, wobei die Kühlmittel-Kühlung (17) zumindest ein zwischen dem Kühlmittel-Vorlauf (14) und dem Kühlmittel-Rücklauf (15) verlaufendes Rohr (23) umfasst.
14. Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaik-Moduls (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zumindest
(a) mindestens ein zwischen dem Kühlmittel-Einlass (19) und dem Kühlmittel-Auslass (20) verlaufender Kanal (6) in das Strukturblech (5) eingebracht wird,
(b) das Strukturblech (5) über die Kontaktflächen (7, 7') mit der Rückseite (IV) der Rückscheibe (2) verbunden wird und
(c) der Kanal (6) zumindest teilweise mit einem flüssigen Kühlmittel gefüllt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei zwischen Verfahrensschritt (b) und Verfahrensschritt (c)
- ein Kühlmittel-Vorlauf (14) mit dem Kühlmittel-Einlass (19) verbunden wird,
- ein Kühlmittel-Rücklauf (15) mit dem Kühlmittel-Auslass (20) verbunden wird,
- der Kühlmittel-Vorlauf (14) mit einem Kühlmittel-Auslass (22) einer Kühlmittel- Kühlung (17) verbunden wird und
- der Kühlmittel-Rücklauf (15) mit einem Kühlmittel-Einlass (21 ) der Kühlmittel-Kühlung (17) verbunden wird,
und wobei in Verfahrensschritt (c) der Kanal (6), der Kühlmittel-Vorlauf (14), der Kühlmittel-Rücklauf (15) und die Kühlmittel-Kühlung (17) mit dem flüssigen Kühlmittel zumindest teilweise gefüllt werden.
16. Verwendung eines Strukturblechs (5) auf der Rückseite (IV) der Rückscheibe (2) eines Photovoltaik-Moduls (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Kühlung des photovoltaischen Schichtsystems (3) auf eine Temperatur von 20°C bis 50°C.
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