WO2007056988A2 - Solarkollektor - Google Patents

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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the present invention relates to a solar collector consisting essentially of solar cells mounted on coolable carriers.
  • Such photovoltaic modules serve the direct conversion of solar radiation.
  • the spectrum of electromagnetic radiation radiated by the sun can only be used to a small extent because the sensitivity of the solar cells is only given in the range of about 350 to 900 nm.
  • the energy of the UV radiation lying below 350nm and the infrared radiation lying above 900nm only causes the warming of the cells. At temperatures around -20 0 C their efficiency is highest and from 80 ° C so low that the power production is no longer worthwhile. At even higher temperatures, the cells can be destroyed and these sizes are highly dependent on the type of solar cell.
  • the heat is either attempted to be dissipated via large heat sinks or to connect the solar cells or their carrier to a heat sink through which a coolant flows. It is also known to allow the solar cells to flow around a cooling medium in order to improve the heat transfer, where a variety of problems with regard to corrosion and short circuit resistance occur and for the operation of the coolant circulation pump, a not inconsiderable part of the electrical energy produced by the cells must be used.
  • the object of the invention is to show a cooling method which is simple and inexpensive to produce and improves the efficiency of photovoltaic modules equipped therewith.
  • the medium to be evaporated is water, preferably in the form of rainwater and / or tap water. This can evaporative substances, such as surfactants are added.
  • the water supply preferably takes place via the capillary action of the porous materials immersed in the liquid which is stored in a gutter, tub or similar collecting vessel, which is preferably arranged below or / and above the evaporation devices. Additionally or alternatively, the evaporation devices can be sprayed with water, which is supplied to them by a pump or from the pipeline network with pressure.
  • the evaporation surface of highly porous material having a large surface area can be formed.
  • Particularly suitable are felts, nonwovens, fiber mats, foams of organic and / or inorganic substances, preferably metal foams, baked pottery, sintered elements, ceramic plates and the like.
  • a heat exchanger is used on the ridge side, this can be used as a heat source for a heat pump, with the resulting condensate being able to be returned to the evaporation circuit of the photovoltaic module. Since photovoltaic solar cells can only convert radiation in the range between 350nm and 900nm into electricity, it is useful to use optically effective filters between the reflector and solar cells which filter out the non-photovoltaic effective radiation fraction and thus reduce the heat load to about 50%.
  • Another method to keep unwanted heat radiation from the solar cells is the spectral filtering of the incident radiation by means of a transparent coolant that wets or lavishes the cells at least in the irradiated area, not converts photovoltaically usable radiation into heat and transported in a heat exchanger which is at least partially cooled by evaporative cooling. If the cooling medium is neither water nor water-like, for example monopropylene glycol or tripropylene glycol, this must be conducted in a closed container or circuit. If water is used as a filter and heat exchanger liquid, it can be fed to open evaporative heat load.
  • FIG. 2 shows a cross section through a solar collector with concentrators and a transparent protective screen
  • FIG. 3 shows a cross section through a solar collector with concentrators and a spectral filter
  • thermotropic protective disk and water tank shows a cross section through a solar collector with thermotropic protective disk and water tank.
  • FIG. 1 solar collector with centrally located solar cells 2 and side concentrators 1 the flat surfaces but also arched to the solar cells, advantageously curved concave parabolic, is preferably cooled with evaporating water.
  • the back of the solar cell 2 and the solar cell carrier is equipped with a porous evaporation carrier 3. If the connection of the concentrators with the solar cell carrier hinged, the inclination angle can be changed. This can be done continuously or discontinuously.
  • FIG. 2 shows how a channel 5 formed by the concentrators 1 and a transparent protective pane 4 is formed, which can be used as a container for a cooling medium or a circulating heat exchanger.
  • the solar cells can be arranged on all sides um réellebar but also only partially wettable.
  • the cover 6 shown in Fig. 3 may be equipped with spectral filter characteristics. Preferably, these are such that they have additional protective functions by thermotropic behavior by reducing the light transmission at high temperature load which lead to a deterioration of the efficiency or even the destruction of the solar cells or their embedding.
  • Fig. 3 shows how a channel 5 formed by the concentrators 1 and a transparent protective pane 4 is formed, which can be used as a container for a cooling medium or a circulating heat exchanger.
  • the solar cells can be arranged on all sides um réellebar but also only partially wettable.
  • the cover 6 shown in Fig. 3 may be equipped with spectral filter characteristics. Preferably, these are such that they have additional protective
  • a water tank which is connected to a supply line, but also filled by rainwater, are arranged so that the evaporation aids in the form of felt, fleece, foams , Textiles, fiberboard, etc., by capillary action automatically with water.

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Abstract

Photovoltaikmodul, das so gestaltet ist, daß es Sonnenlicht konzentriert und die Solarzellen kühlt.

Description

(Solarkollektor)
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Solarkollektor der im Wesentlichen aus Solarzellen besteht , die auf kühlbaren Trägern angebracht sind . Solche Photovoltaikmodule dienen der direkten Umwandlung von solarer Strahlung . Das von der Sonne abgestrahlte Spektrum elektromagnetischer Strahlung kann nur zu einem geringen Teil genutzt werden weil die Empfindlichkeit der Solarzellen nur im Bereich von etwa 350 - 900nm gegeben ist . Die Energie der unter 350nm liegenden UV- Strahlung und der über 900nm liegenden Infrarotstrahlung bewirkt lediglich die Erwärmung der Zellen . Bei Temperaturen um -200C ist deren Wirkungsgrad am höchsten und ab 80°C so nieder daß sich die Stromproduktion nicht mehr lohnt . Bei noch höheren Temperaturen können die Zellen zerstört werden wobei diese Größen stark vom jeweiligen Solarzellentyp abhängig sind.
Dieses Problem verschärft sich drastisch wenn die Solarzellen mit konzentriertem Licht betrieben werden . Bei einem Konzentrationsfaktor von 10 reichen an einem klaren Sommertag schon wenige Minuten um zerstörend wirkende Temperatur zu erreichen. Die Zellen müssen gekühlt werden.
Nach dem Stand der Technik wird versucht die Wärme entweder über großflächige Kühlkörper abzuleiten oder die Solarzellen bzw. ihren Träger mit einem Kühlkörper zu verbinden der von einem Kühlmittel durchströmt wird . Es ist auch bekannt die Solarzellen von einem Kühlmedium umströmen zulassen um die Wärmeübertragung zu verbessern wobei vielfältige Probleme bezüglich Korrosions- und Kurzschlußfestigkeit auftreten und für den Betrieb der Kühlmittelumwälzpumpe ein nicht unerheblicher Teil der von den Zellen produzierten elektrischen Energie verwendet werden muss.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Kühlverfahren aufzuzeigen das einfach und preiswert herstellbar ist und den Wirkungsgrad damit ausgerüsteter Photovoltaikmodule verbessert .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Anspruch 1 gelöst . Weitere ausgestaltende Merkmale sind in den Ansprüchen 2 und 3 und den Unteransprüchen beschrieben . Durch die vorliegende Erfindung ist die effektive Kühlung von Solarzellen durch offene Verdunstung einfach durchführbar . Der Wärmeentzug durch die offene Verdunstung ist um ein mehrfaches größer als durch Konvektion oder Strahlung . Wird die Reflektorfläche vergrößert um den Konzentrationsfaktor zu erhöhen wird auch gleichzeitig die nutzbare Kühlfläche vergrößert .
Da die sensitive Oberfläche der Solarzellen bzw. die reflektierende Seite der Konzen- tratoren zur Sonne ausgerichtet sind , kann ihre Rückseite , die im Schatten liegt , als Verdunstungsfläche oder Träger einer Verdunstungseinrichtung genutzt werden . Das zu verdunstende Medium ist Wasser , vorzugsweise in Form von Regenwasser oder/und Leitungswasser . Diesem können verdunstungsgegünstigende Substanzen , beispielsweise Tenside beigemischt werden . Die Wasserzufuhr erfolgt bevorzugt über die Kapillarwirkung der porösen Materialien die dazu in die Flüssigkeit eintauchen die in einer Rinne , Wanne oder ähnlichem Sammelgefäß gespeichert ist , das bevorzugt unterhalb oder/und oberhalb der Verdunstungseinrichtungen angeordnet ist . Zusätzlich oder alternativ können die Verdunstungseinrichtungen mit Wasser besprüht werden , das ihnen von einer Pumpe oder aus dem Leitungsnetz mit Druck zugeführt wird . Um die Verdunstungsleistung zu erhöhen kann die Verdunstungsfläche von hochporösem Material das eine große Oberfläche aufweist gebildet werden . Besonders geeignet sind Filze , Vliese , Fasermatten , Schäume aus organischen oder/und anorganischen Stoffen , vorzugsweise Metallschäume , gebrannte Tonwaren , Sinterelemente , Keramikplatten und dergleichen .
Werden Verdunster mit wenigen cm Abstand zueinander parallel oder leicht konisch gestaffelt montiert , entsteht ein Kamineffekt der die Kühlwirkung verstärkt . Bei liegender Anordnung der Photovoltaikmodule auf geneigter Fläche ist es vorteilhaft wenn eine Hinterlüftung vorhanden ist .
Wird firstseitig ein Wärmetauscher eingesetzt kann dieser als Wärmequelle für eine Wärmepumpe verwendet werden wobei das entstehende Kondensat wieder in den Verdunstungskreislauf des Photovoltaikmodules zurückgeführt werden kann . Da photovoltaisch genutzte Solarzellen nur Strahlung im Bereich zwischen 350nm und 900nm in Elektrizität wandeln können ist es zweckmäßig zwischen Reflektor und Solarzellen optisch wirksame Filter einzusetzen die den photovoltaisch nicht wirksamen Strahlungsanteil ausfiltern und damit die Wärmebelastung auf etwa 50% reduzieren . Eine andere Methode unerwünschte Wärmestrahlung von den Solarzellen fernzuhalten ist die spektrale Filterung der auftreffenden Strahlung mittels eines transparenten Kühlmittels das die Zellen zumindest im bestrahlten Bereich benetzt oder umspült ,die nicht photovoltaisch nutzbare Strahlung in Wärme wandelt und in einen Wärmetauscher transportiert der zumindest teilweise durch Verdunstungskälte gekühlt wird . Ist das Kühlmedium weder Wasser noch wasserähnlich , beispielsweise Monopropylenglykol oder Tripropylenglykol muß dieses in einem geschlossenen Behälter oder Kreislauf geführt werden . Wird Wasser als Filter- und Wärmetauscherflüssigkeit verwendet , kann es wärmebelastet offener Verdunstung zugeführt werden .
Nachfolgend wird die Erfindung an schematisierten Ausführungsbeispielen näher erläutert . Es zeigen :
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Solarkollektor mit Konzentratoren ,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Solarkollektor mit Konzentratoren und einer transparenten Schutzscheibe ,
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Solarkollektor mit Konzentratoren und einem Spektralfilter ,
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Solarkollektor mit thermotroper Schutzscheibe und Wasserbehälter .
Der in Fig. 1 schematisiert dargestellte Solarkollektor mit mittig angeordneten Solarzellen 2 und seitlichen Konzentratoren 1 die ebene Flächen besitzen aber auch zu den Solarzellen hin gewölbt , vorteilhafterweise konkav parabolisch gebogen sein können , wird bevorzugt mit verdunstendem Wasser gekühlt . Dazu ist die Rückseite der Solarzellen 2 bzw. des Solarzellenträgers mit einem porösen Verdunstungsträger 3 ausgestattet . Erfolgt die Verbindung der Konzentratoren mit dem Solarzellenträger gelenkig , kann der Neigungswinkel verändert werden . Das kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen .
Fig. 2 zeigt wie ein durch die Konzentratoren 1 und eine transparente Schutzscheibe 4 gebildeter Kanal 5 entsteht , der als Behälter für ein Kühlmedium oder einen zirkulierenden Wärmetauscher genutzt werden kann . Die Solarzellen können allseitig umspülbar aber auch nur partiell benetzbar angeordnet sein . Um die thermische Belastung zu reduzieren kann die in Fig. 3 gezeigte Abdeckung 6 mit Spektralfiltereigenschaften ausgerüstet sein . Vorzugsweise sind diese so beschaffen , daß sie zusätzliche Schutzfunktionen durch thermotropes Verhalten aufweisen indem sie bei hoher Temperaturbelastung die zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades oder gar zur Zerstörung der Solarzellen oder deren Einbettung führen die Lichtdurchlässigkeit reduzieren . Um den Verdunstungsträger ökonomisch günstig mit Wasser zu versorgen kann , wie in Fig. 4 gezeigt , ein Wasserbehälter der an eine Versorgungsleitung angeschlossen ist , sich aber auch durch Regenwasser auffüllt , so angeordnet werden , daß sich die Verdunstungshilfsmittel in Form von Filz , Vlies , Schäumen , Textilien , Faserplatten , etc. , durch Kapillarwirkung selbsttätig mit Wasser befrachten .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Kühlen von Solarkollektoren die konzentriertem Sonnenlicht ausgesetzt sind , dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlwirkung durch offene Verdunstung von Wasser bewirkt wird .
2. Verfahren zum Kühlen von Solarkollektoren die konzentriertem Sonnenlicht ausgesetzt sind , dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlwirkung durch offene Verdunstung von Wasser in porösem Material bewirkt wird .
3. Verfahren zum Kühlen von Solarkollektoren die konzentriertem Sonnenlicht ausgesetzt sind , dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlwirkung durch offene Verdunstung von Wasser in porösem Material auf der Schattenseite bestrahlter Flächen bewirkt wird .
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlwasser die Solarzelle zuerst auf der bestrahlten Seite benetzt und dann der Verdunstungsfläche zugeleitet wird .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlwasser zuerst die Solarzelle umspült und dann der Verdunstungsfläche zugeleitet wird .
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß durch Spektralfilter photovoltaisch wenig oder unwirksame Strahlung von der Solarzelle ferngehalten werden um die Wärmebelastung zu reduzieren .
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß durch die Anordnung einer thermotropen Schutzabdeckung im Strahlengang eine Überhitzung der Solarzellen verhindert wird .
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlwasser durch Druck zugeführt wird .
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlwasser durch Kapillarwirkung transportiert wird .
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß der Kühlwasserbehälter ein sich selbst füllender Regenwasserbehälter ist .
11. Verfahren zum Kühlen von Solarkollektoren die konzentriertem Sonnenlicht ausgesetzt sind , dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlung mindestens zweistufig aufgebaut ist und aus einem vorzugsweise geschlossenen Primärkreislauf mit nachgeordneter offener Verdunstung besteht .
12. Verfahren nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlmedium im Primärkreislauf kein Wasser oder wasserähnliche Substanz ist .
13. Verfahren nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlmedium im Primärkreislauf mit Spektralfilterfunktionen ausgestattet ist .
14. Verfahren nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlmedium im Primärkreislauf Monopropylenglykol oder Tripropylenglykol ist .
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