WO2010015288A1 - Fotovoltaikmodul und fotovoltaikanlage - Google Patents

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WO2010015288A1
WO2010015288A1 PCT/EP2009/001384 EP2009001384W WO2010015288A1 WO 2010015288 A1 WO2010015288 A1 WO 2010015288A1 EP 2009001384 W EP2009001384 W EP 2009001384W WO 2010015288 A1 WO2010015288 A1 WO 2010015288A1
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photovoltaic
photovoltaic module
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Patrick Roger Linder
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Patrick Roger Linder
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    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
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    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the invention relates to a photovoltaic module.
  • the invention also relates to a photovoltaic system, which consists of at least one such photovoltaic module, but usually a plurality of interconnected photovoltaic modules.
  • Photovoltaic cells of this type also called solar cells, and these photovoltaic modules, which are housed in the manner of a housing, serve to generate electric current by converting photons into electrons. In practice, these efficiencies, which are currently in a range of about 5 - 25%.
  • the photovoltaic module according to the invention contains at least one photovoltaic cell with a limited sensitivity range. Furthermore, a transparent receiving device is provided, which covers at least the irradiation-active upper side of the at least one photovoltaic cell, and which contains a translucent heat carrier with wavelength-shifting properties, wherein the incident on the sunlight acting wavelength-shifting properties are tuned to the limited sensitivity range of the photovoltaic cell, that of translucent heat transfer converted light from the photovoltaic cell is usable. Finally, means for keeping constant the translucent heat carrier as possible in an optimal for the at least one photovoltaic cell temperature range available.
  • the photovoltaic module according to the invention has the advantage that, on the one hand, wavelength ranges of the incident sunlight, which can not be used directly by the respective photovoltaic cell due to their limited sensitivity range, are converted by the light-converting heat carrier into usable wavelengths, that is to say in the sensitivity range of the photovoltaic cell , With the aid of the invention, almost the entire spectrum of light wavelengths of the incident sunlight can thus be used to generate electrical energy.
  • the light conversion active heat carrier has the particular advantage that hereby the photovoltaic cell can also be maintained at a low-efficiency, low temperature, eg at 5 - 6 degrees Celsius. In summer, therefore, the temperature of the photovoltaic cell by cooling the heat carrier, or in winter by appropriate heating in the optimal Area are kept.
  • the photovoltaic module according to the invention Due to this combination effect of the light-conversion-active heat carrier, it is possible with the photovoltaic module according to the invention to achieve efficiencies of significantly more than 50%, depending on the particular structural design of the module.
  • the structure of the photovoltaic module is particularly determined by the nature and effect of the thermal insulation used to hold at least the lichtumwandlungs2011 substrate of the photovoltaic cell in a low-efficiency optimal temperature range and thus to avoid the normally rising in a heating of the photovoltaic cell increase in internal resistance can.
  • the photovoltaic module according to the invention enables the use of photovoltaic cells, which have only a limited range of sensitivity, but are inexpensive and can be produced in large quantities.
  • all photovoltaic cells are used, even if they should be active only in a not very broadband wavelength range of the visible solar spectrum.
  • silicon-based photovoltaic cells which are active in the blue or green region of the visible spectrum.
  • sunlight photons can be used only for the wavelength range of the entire light spectrum belonging to the sensitivity range for conversion into electrons and thus into electrical energy.
  • normal polycrystalline, monocrystalline, amorphous or thin-film silicon cells are particularly suitable.
  • the wavelength-shifting properties of the translucent heat carrier can be adjusted by at least one addition so that an increase of certain wavelengths of the incident sunlight is effected.
  • the at least one addition of the translucent heat carrier can be selected such that it effects a conversion of short wavelength components of the incident sunlight into light usable by the photovoltaic cell with longer or long wavelength components.
  • the at least one addition of the translucent heat carrier causes a conversion of UV wavelength components of the incident sunlight into light with blue, green and / or yellow wavelength components.
  • a fluid container serving as a transparent receiving device may be filled, which may be e.g. may be placed on the photovoltaic cell so that at least the einstrahlungstreatede top of the at least one photovoltaic cell is covered.
  • the photovoltaic cell may also be completely inside the receptacle, which may be e.g. is designed as a glass container, be quasi floating stored in the transparent heat transfer medium. This embodiment makes it easier, on the one hand, to cool the photovoltaic cell to an optimum operating temperature range by means of the transparent heat transfer medium, e.g. at 5 - 6 degrees Celsius.
  • the contacting of the photovoltaic cell can be considerably improved, in particular in this embodiment, by avoiding the so-called dark zone of the photovoltaic cell, which is usually produced by contact conductor tracks on the cell top side.
  • the translucent heat carrier, the fluid container in completely fill a water-bound form eg as a gel.
  • the fluid container was filled with a light conversion active clear liquid from the company "Aquatuning" of the type “AT-Protect-UV-blue (Item No. 30026) and cooled to approximately 5 ° C.
  • This coolant converts the UV wavelength fraction of the visible light, which has a wavelength of approximately 300-430 nm, into a blue light having a wavelength of approximately 430-500 nm .
  • This converted light can then be emitted from a standard "ARCO Solar” monocrystalline solar cell of the type " 6 Volt Battery Charging ", since this solar cell has the highest efficiency, ie the maximum sensitivity, largely in the blue wavelength range of the light spectrum.
  • Nanoparticles are used as an additive for adjusting the wavelength-shifting properties.
  • a cooling and / or anticorrosive fluid is used as the base material, e.g. With nanoparticles in the form of neodymium crystals (Nd: YAG), this has a wavelength bisecting or frequency doubling effect on the long-wave spectral component of the incident sunlight.
  • Nd neodymium crystals
  • This lies in the green spectral range of the visible light spectrum and can be used directly by photovoltaic cells, which have a maximum of sensitivity in this range.
  • the translucent heat carrier with wavelength-shifting properties can therefore represent a UV or IR active cooling liquid or a combination liquid which is active both UV and IR.
  • the photovoltaic module has means for reducing reflections in the region of the irradiation-active upper side of the photovoltaic cell.
  • the transparent receptacle is formed as a glass body, e.g. the surface facing the incident sunlight should be provided on the inside with an antireflection coating.
  • a comparable effect is caused by a surface roughening of this surface. This reflection losses of the incident sunlight, but also scattering losses of the wavelength-shifted light in the heat carrier light are avoided, and are thus optimally deflected to the photovoltaic cell.
  • the means for converting the heat energy of the cooling medium into mechanical energy may be e.g. to act a heat pump.
  • a turbine for converting the heat energy into mechanical energy is integrated in the circulation means.
  • This has a capacitor for cooling the cooling medium by condensation.
  • a generator for generating electrical energy is connected to the turbine.
  • Such a system is completely without external energy, in which the pressurized and a low boiling point at about 5-6 degrees Celsius having cooling medium is relaxed when entering the turbine and this drives.
  • the refrigerant is then completely liquefied, and may e.g. be fed back as refrigerant in the circulation circuit by supporting with a passive cooling.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a Fotovol- taikmoduls invention in a perspective side view
  • the exemplary photovoltaic module 1 shown in FIG. 1 has an irradiation-active upper side 10, into which sunlight A is incident with the wavelength spectral components transmitted by the earth's atmosphere. This enters a transparent receptacle 20, which is e.g. as a fluid container can be made of glass.
  • the receiving device 20 is inventively filled with a transparent heat transfer medium 21, which has wavelength-shifting properties, e.g. a light-conversion active cooling or corrosion protection fluid.
  • the inner surface of the irradiation-active upper side 10 is additionally designed as a reflector surface 22.
  • the exemplary photovoltaic module 1 of FIG. 1 has means 40 for cooling the translucent heat carrier 21 in the fluid container 20.
  • This may e.g. in the form of a piping system for the supply, discharge and discharge of a cooling medium, e.g. a mixture of water and alcohol.
  • the translucent heat transfer medium itself can serve as a cooling medium and e.g. over the entire surface are conveyed through the receiving device 20.
  • 55 electrical storage and / or converter unit eg an inverter with battery buffer Infeed line of the inverter eg in an electrical power distribution network

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Abstract

Das Fotovoltaikmodul enthält mindestens eine Fotovoltaikzelle mit begrenztem Sensitivitätsbereich. Weiterhin ist eine transparente Aufnahmevorrichtung vorhanden, welche die einstrahlungsaktive Oberseite der Fotovoltaikzelle überdeckt und einen lichtdurchlässigen Wärmeträger mit wellenlängenverschiebenden Eigenschaften enthält. Dabei sind die auf das einfallende Sonnenlicht einwirkenden wellenlängenverschiebenden Eigenschaften auf den begrenzten Sensitivitätsbereich der Fotovoltaikzelle so abgestimmt, dass das vom lichtdurchlässigen Wärmeträger umgesetzte Licht von der Fotovoltaikzelle nutzbar ist. Schließlich sind Mittel zur Konstanthaltung des lichtdurchlässigen Wärmeträgers möglichst in einem für die Fotovoltaikzelle wirkungsgradoptimalen Temperaturbereich vorhanden.

Description

Fotovoltaikmodul und Fotovoltaikanlage
Die Erfindung betrifft ein Fotovoltaikmodul. Die Erfindung betrifft auch eine Fotovoltaikanlage, welche aus zumindest einem derartigen Fotovoltaikmodul, in der Regel aber Vielzahl von zusammen geschalteten Fotovoltaikmodulen besteht.
Fotovoltaikzellen dieser Art, auch Solarzellen genannt, und diese in der Art eines Gehäuses enthaltende Fotovoltaikmodule dienen zur Erzeugung von elektrischem Strom durch Umwandlung von Fotonen in Elektronen. In der Praxis erzielen diese Wirkungsgrade, welche derzeit in einem Bereich von ca. 5 - 25 % liegen.
Der Grund für diese relativ geringen Wirkungsgrade liegt zum einen darin, dass Solarzellen herkömmlicher Bauart häufig nur für einen schmalen Bereich aus dem Spektrum des Sonnenlichts empfindlich sind. Solche schmalen Bereiche werden auch optische Bandlücken genannt. Es können also lediglich die dazugehörigen Wellenlängen aus dem gesamten Spektrum des von der Erdatmosphäre durchgelassenen Sonnenlichts zur Elektronenerzeugung genutzt werden, während alle übrigen Wellenlängen verloren gehen. So gibt es Solarzellen, welche ein Maximum der Sensibilität z.B. im Wellenlängenbereich des blauen Lichtes aufweisen, d.h. bei ca. 465 nm. Andere Solarzellen wiederum verfügen über ein Sensibilitätsmaximum z.B. im Wellenlängenbereich des grünen Lichts, also etwa bei 540 nm. Alle diese Wellenlängenbereiche stellen aber nur kleine Ausschnitte aus dem gesamten Spektrum des sichtbaren Lichts von ca. 380 - 780 nm dar. Ein weiterer Grund für die in der Praxis relativ geringe Effektivität von Solarzellen liegt darin, dass deren Wirkungsgrad mit der Temperatur abnimmt. So nimmt der Wirkungsgrad z.B. einer Siliziumsolarzelle bei einem Temperaturanstieg um 10 Grad etwa um 4,4% ab. In der Praxis hat dies zur Folge, dass z.B. so genannte Solardächer an zwar strahlungsintensiven aber auch warmen Sommertagen in einem ungünstigen Arbeitspunkt mit schlechtem Wirkungsgrad betrieben werden.
Zur Lösung dieser Probleme ist es bekannt, Solarzellen derart aufzubauen, dass diese für mehr als eine Wellenlängenfarbe des Sonnenlichts sensibel ist. So sind z.B. bei Tandemzellen mehrere Schichten von Solarzellen, welche jeweils ein Sensibilitätsmaximum in einem anderen Wellenlängenbereich des Lichtes aufweisen, übereinander angeordnet. Weiterhin können als so genannte lichtabsorbierende elektronenleitende Materialien, auch ETM electron transport material genannt, Halbleiter verwendet werden, welche im Vergleich zu kristallinen Siliziumzellen temperaturbeständiger sind und somit einen geringen Leistungsabfall bei Erwärmung aufweisen. Ein Halbleitermaterial dieser Art ist z.B. Galliumarsenid.
Diese Solarzellen weisen allerdings alle den Nachteil auf, dass deren Herstellung im Vergleich zu Zellen auf Siliziumbasis erheblich kostenaufwändiger ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Fotovoltaikmodul und eine aus derartigen Modulen zusammengestellte Fotovoltaikanlage anzugeben, welche einen im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen bzw. Solarzellenanlagen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das im Anspruch 1 angegebene Fotovol- taikmodul, und durch die im Anspruch 16 angegebene Fotovoltaikanlage.
Das erfindungsgemäße Fotovoltaikmodul enthält mindestens eine Fotovol- taikzelle mit einem begrenzten Sensitivitätsbereich. Weiterhin ist eine transparente Aufnahmevorrichtung vorhanden, welche zumindest die einstrahlungsaktive Oberseite der mindestens einen Fotovoltaikzelle überdeckt, und die einen lichtdurchlässigen Wärmeträger mit wellenlängenverschiebenden Eigenschaften enthält, wobei die auf das einfallende Sonnenlicht einwirkenden wellenlängenverschiebenden Eigenschaften auf den begrenzten Sensitivitätsbereich der Fotovoltaikzelle so abgestimmt sind, dass das vom lichtdurchlässigen Wärmeträger umgesetzte Licht von der Fotovoltaikzelle nutzbar ist. Schließlich sind Mittel zur Konstanthaltung des lichtdurchlässigen Wärmeträgers möglichst in einem für die mindestens eine Fotovoltaikzelle wirkungsgradoptimalen Temperaturbereich vorhanden.
Das erfindungsgemäße Fotovoltaikmodul bietet den Vorteil, dass einerseits Wellenlängebereiche des einfallenden Sonnenlichts, welche von der jeweils eingesetzten Fotovoltaikzelle auf Grund von deren begrenztem Sensitivitätsbereich nicht direkt genutzt werden können, von dem lichtumwandlungsakti- ven Wärmeträger in nutzbare, also im Sensitivitätsbereich der Fotovoltaikzelle liegende Wellenlängen umgewandelt werden. Mit Hilfe der Erfindung kann somit nahezu das gesamte Lichtwellenlängenspektrum des einfallenden Sonnenlichts zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden. Zusätzlich bietet aber der lichtumwandlungsaktive Wärmeträger den besonderen Vorteil, dass hiermit die Fotovoltaikzelle auch auf einer wirkungsgradoptimalen, niedrigen Temperatur gehalten werden kann, z.B. bei 5 - 6 Grad Celsius. Im Sommer kann also die Temperatur der Fotovoltaikzelle durch Kühlung des Wärmeträgers, bzw. im Winter durch entsprechende Beheizung im optimalen Bereich gehalten werden.
Auf Grund dieser Kombinationswirkung des lichtumwandlungsaktiven Wärmeträgers können mit dem erfindungsgemäßen Fotovoltaikmodul abhängig vom jeweiligen konstruktiven Aufbau des Moduls Wirkungsgrade von deutlich über 50 % erzielt werden. Dabei wird der Aufbau des Fotovoltaikmodul besonders von Art und Wirkung der eingesetzten Wärmedämmung bestimmt, um zumindest das lichtumwandlungsaktive Substrat der Fotovoltaikzelle in einem wirkungsgradoptimalen niedrigen Temperaturbereich halten und damit den bei einer Erwärmung der Fotovoltaikzelle normalerweise starken Anstieg des Innenwiderstandes vermeiden zu können.
Das erfindungsgemäße Fotovoltaikmodul ermöglicht den Einsatz von Fotovol- taikzellen, die nur einen begrenzten Sensitivitätsbereich aufweisen, aber kostengünstig und in großen Stückzahlen herstellbar sind. Für das erfindungsgemäße Fotovoltaikmodul sind somit im Prinzip alle Fotovoltaikzellen einsetzbar, auch wenn diese nur in einem nicht sehr breitbandigen Wellenlängenbereich des sichtbaren Sonnenlichtspektrums aktiv sein sollten. So können z.B. auf Silizium basierende Fotovoltaikzellen eingesetzt werden, welche im blauen bzw. grünen Bereich des sichtbaren Spektrums aktiv sind. Von diesen können Sonnenlichtphotonen nur aus den zum Sensitivitätsbereich gehörigen Wellenlängenanteilen des gesamten Lichtspektrums zur Umwandlung in E- lektronen und damit in elektrische Energie genutzt werden. Besonders geeignet sind somit zum Beispiel normale polykristalline, monokristalline, amorphe oder Dünnschicht Siliziumzellen. Natürlich können auch andere Fotovoltaikzellen Verwendung finden. Andererseits ist es nicht notwendig aufwendige, in Mehrschichtverfahren hergestellte oder GaAs Fotovoltaikzellen einzusetzen. So können bei einer ersten Ausführung der Erfindung die wellenlängenverschiebenden Eigenschaften des lichtdurchlässigen Wärmeträgers durch zumindest einen Zusatz so eingestellt werden, dass eine Vergrößerung von bestimmten Wellenlängen des einfallenden Sonnenlichtes bewirkt wird. Vorteilhaft kann dabei der mindestens eine Zusatz des lichtdurchlässigen Wärmeträgers so ausgewählt werden, dass dieser eine Umwandlung von kurzen Wellenlängenanteilen des einfallenden Sonnenlichts in von der Fotovoltaikzel- Ie nutzbares Licht mit längeren bzw. langen Wellenlängenanteilen bewirkt. In der Praxis besonders bedeutsam ist es, wenn der mindestens eine Zusatz des lichtdurchlässigen Wärmeträgers eine Umwandlung von UV Wellenlängenanteilen des einfallenden Sonnenlichts in Licht mit blauen, grünen und/oder gelben Wellenlängenanteilen bewirkt. Derartige Wellenlängenbereiche sind für eine Vielzahl von herkömmlichen Fotovoltaikzellen gut nutzbar, da deren Sensibilitätsbereiche dort Wirkungsgradoptima aufweisen. In der Praxis können hierzu z.B. fluoreszierende und/oder phosphoreszierende Zusätze für den lichtdurchlässigen Wärmeträger eingesetzt werden.
Der lichtdurchlässige Wärmeträger im erfindungsgemäßen Fotovoltaikmodul erzeugt somit einen Photonenstrom mit verschobenen Wellenlängenspektral- anteilen, welche auf den begrenzten Sensitivitätsbereich der jeweils eingesetzten Fotovoltaikzelle abgestimmt sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Fotovoltaikmodul wird weiterhin ein lichtdurchlässiger Wärmeträger mit wellenlängenverschiebenden Eigenschaften eingesetzt. Dabei handelt es sich um ein lichtdurchlässiges Medium, das zumindest eine hohen spezifischen Wärmekapazität aufweist. Weiterhin kann dieses Medium vorteilhaft auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, und gegebenenfalls zusätzlich über eine große spezifische Schmelzenthalpie bzw. ei- nen großen Wärmeübergangskoeffizient verfügen. Solche Eigenschaften können durch Zugabe von Metallionen, z.B. Kupferionen, hervorgerufen werden. Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der lichtdurchlässige Wärmeträger einen Siedepunkt von etwa 5 Grad Celsius aufweist.
Als besonders geeignet haben sich lichtdurchlässige Wärmeträger erwiesen, welche eine Kühl- und/oder Korrosionsschutzflüssigkeit als Grundstoff aufweisen. Die Lichtumwandlungsaktivität des Wärmeträgers, also dessen wellenlängenverschiebende Eigenschaft, kann durch Zugabe von anderen Bestandteilen hervorgerufen und in der Wirkung eingestellt werden. Dies wird nachfolgend noch näher erläutert werden.
Mit diesen kann ein als transparente Aufnahmevorrichtung dienender Fluid- behälter gefüllt sein, welcher z.B. auf die Fotovoltaikzelle so aufgelegt sein kann, dass zumindest die einstrahlungsaktive Oberseite der mindestens einen Fotovoltaikzelle überdeckt ist. Bei einer anderen Ausführung kann die Fotovoltaikzelle auch vollständig im Inneren der Aufnahmevorrichtung, welche z.B. als ein Glasbehälter ausgeführt ist, quasi schwimmend im lichtdurchlässigen Wärmeträger gelagert sein. Diese Ausführung erleichtert es einerseits, die Fotovoltaikzelle mit Hilfe des lichtdurchlässigen Wärmeträgers auf einen wirkungsgradoptimalen Temperaturbereich abzukühlen, z.B. auf 5 - 6 Grad Celsius. Weist der Wärmeträger zusätzlich eine elektrische Leitfähigkeit auf, so kann besonders bei dieser Ausführung die Kontaktierung der Fotovoltaikzelle erheblich verbessert werden, indem die so genannte Dunkelzone der Fotovoltaikzelle vermieden wird, welche üblicherweise durch Kontaktleiterbahnen auf der Zellenoberseite entsteht.
Weiterhin kann der lichtdurchlässige Wärmeträger den Fluidbehälter auch in einer wassergebundenen Form z.B. als ein Gel vollständig ausfüllen.
Es hat sich gezeigt, dass als lichtdurchlässige Wärmeträger hervorragend lichtaktive flüssige Wärmetransportmedien in Form von lichtumwandlungsak- tiven Kühl- und/oder Korrosionsschutzflüssigkeiten eingesetzt werden können, welche zur aktiven Kühlung zumindest von Komponenten mit hoher Verlustleistung in Computeranlagen vorgesehen sind.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Fotovoltaikmoduls wurde im Labor an verschiedenen Ausführungen praktisch bestätigt. Dabei wurden beispielhaft lichtumwandlungsaktive Kühlflüssigkeit der Firma „Aquatuning GmbH, DE-33689 Bielefeld, Beckheide 13" verwendet. Eine zum jeweils eingesetzten lichtumwandlungsaktiven Kühlmittel passende Fotovoltaikzellen wurden beispielsweise aus einem „ARCO Solar Sample Circuit Set" der Firma „ARCO Solar Inc., Camarillo CA 93010 USA" entnommen.
Bei einem ersten Anwendungsbeispiel wurde der Fluidbehälter mit einem lichtumwandlungsaktiven klaren Kühlmittel der Firma „Aquatuning" vom Typ „AT-Protect-UV-blue (Art. Nr. 30026) befüllt und auf ca. 5 Grad abgekühlt. Dieses Kühlmittel wandelt den UV Wellenlängenanteil des sichtbaren Lichts, welcher eine Wellenlänge von ca. 300 - 430 nm aufweist, in ein blaues Licht mit einer Wellenlänge von ca. 430 - 500 nm um. Dieses umgewandelte Licht kann dann von einer monokristallinen Standard Solarzelle der Firma „ARCO Solar" vom Typ „6 Volt Battery Charging" optimal genutzt werden, da diese Solarzelle den höchsten Wirkungsgrad, also das Sensibilitätsmaximum, weitgehend im blauem Wellenlängenbereich des Lichtspektrums aufweist.
Bei einem weiteren Anwendungsbeispiel wurde der Fluidbehälter mit einem lichtumwandlungsaktiven klaren Korrosionsschutz- und Kühlmittel der Firma „Aquatuning" vom Typ „UV Green FluoProtect (Art. Nr. 30002) befüllt und auf ca. 5 Grad abgekühlt. Dieses Mittel wandelt den UV Wellenlängenanteil des sichtbaren Lichts in ein grünes Licht mit einer Wellenlänge von ca. 540 nm um. Dieses umgewandelte Licht kann dann von einer monokristallinen Standard Solarzelle Solarzellen der Firma „ARCO Solar" vom Typ „Charging 2 Se- ries Ni-CAD Battery" optimal genutzt werden, da diese Solarzelle den höchsten Wirkungsgrad, also das Sensibilitätsmaximum, weitgehend im grünen Wellenlängenbereich des Lichtspektrums aufweist.
Weiterhin wurde der Fluidbehälter beispielsweise mit einem lichtumwandlungsaktiven roten Kühlmittel der Firma „Aquatuning" vom Typ „AT-Protect- UV-red (Art. Nr. 30028) befüllt und auf ca. 5 Grad abgekühlt. Dieses Mittel wandelt den UV Wellenlängenanteil des sichtbaren Lichts in ein rotes Licht mit einer Wellenlänge von ca. 625 - 780 nm um. Dieses umgewandelte Licht kann dann von einer monokristallinen Standard Solarzelle Solarzellen der Firma „ARCO Solar" vom Typ „Charging 1 Series Ni-CAD Battery Powering Ventilator Motor" optimal genutzt werden, da diese Solarzelle den höchsten Wirkungsgrad, also das Sensibilitätsmaximum, weitgehend im roten Wellenlängenbereich des Lichtspektrums aufweist.
Bei einer anderen Ausführung des erfindungsgemäßen Fotovoltaikmoduls weist der lichtdurchlässige Wärmeträger zur Einstellung der wellenlängenverschiebenden Eigenschaften mindestens einen Zusatz auf, welcher eine Verkleinerung von Wellenlängen des einfallenden Sonnenlichtes bewirkt. Vorteilhaft kann dabei der mindestens eine Zusatz des lichtdurchlässigen Wärmeträgers so ausgewählt werden, dass dieser eine Umwandlung von langen Wellenlängenanteilen des einfallenden Sonnenlichts in von der Fotovoltaikzel- Ie nutzbares Licht mit kürzeren bzw. kurzen Wellenlängenanteilen bewirkt. In der Praxis besonders bedeutsam ist es, wenn der mindestens eine Zusatz des lichtdurchlässigen Wärmeträgers eine Umwandlung von IR Wellenlängenanteilen des einfallenden Sonnenlichts in nutzbares Licht mit blauen, grünen und/oder gelben Wellenlängenanteilen bewirkt.
So können z.B. Nanopartikel als ein Zusatz zur Einstellung der wellenlängenverschiebenden Eigenschaften eingesetzt werden. Wird eine Kühl- und/oder Korrosionsschutzflüssigkeit als Grundstoff z.B. mit Nanopartikeln in Form von Neodym Kristallen (Nd: YAG) versetzt, so hat dies eine wellenlängenhalbierende bzw. frequenzverdoppelnde Wirkung auf den langwelligen Spektralanteil des einfallenden Sonnenlichts. Langwellige, im Infrarotbereich liegende Lichtanteile des einfallenden Sonnenlichts mit einer Wellenlänge von etwa 1064 nm werden dabei in kurzwelliges Licht mit einer Wellenlänge von etwa 532 nm umgesetzt. Diese liegt im grünen Spektralbereich des sichtbaren Lichtspektrums und kann von Fotovoltaikzellen, welche ein in diesem Bereich liegendes Sensitivitätsmaximum aufweisen, unmittelbar genutzt werden.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn der lichtdurchlässige Wärmeträger durch Zugabe von geeigneten Zusätzen sowohl die Eigenschaft aufweist, kurzwellige Spektra I bereiche des Sonnenlichts - insbesondere UV Spektren mit ca. 398 nm Wellenlänge - in längerwelliges z.B. grünes Licht mit ca. 532 nm Wellenlänge umzuwandeln, als auch die Eigenschaft aufweist, sehr langwellige Spektralbereiche des Sonnenlichts - insbesondere IR Spektren mit ca. 1064 nm Wellenlänge - in kürzerwelliges z.B. ebenfalls grünes Licht mit ca. 532 nm Wellenlänge umzuwandeln. Dieses kann von einer Fotovoltaikzelle mit einem im Bereich des grünen Lichtspektrums bei ca. 520 - 560 nm liegenden Selektivitätsmaximum optimal genutzt werden. Beispielhaft kann auch hier eine monokristalline Standardsolarzelle der Firma „ARCO Solar" vom Typ „Charging 2 Series Ni-Cad BatteriesΛΛ eingesetzt werden.
Der lichtdurchlässige Wärmeträger mit wellenlängenverschiebenden Eigenschaften kann also eine UV oder IR aktive Kühlflüssigkeit bzw. eine sowohl UV als auch IR aktive Kombiflüssigkeit darstellen.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung weist das Fotovoltaikmodul Mittel zur Reduzierung von Reflexen im Bereich der einstrahlungsaktiven O- berseite der Fotovoltaikzelle auf. Ist z.B. die transparente Aufnahmevorrichtung als ein Glaskörper ausgebildet, so kann z.B. die dem einfallenden Sonnenlicht zugewandte Fläche auf der Innenseite mit einer Antireflexbeschich- tung versehen sein. Eine vergleichbare Wirkung wird durch eine Oberflä- chenaufrauung dieser Fläche bewirkt. Damit werden Reflexionsverluste des einfallenden Sonnenlichts, aber auch Streuverluste des im Wärmeträger wellenlängenverschobenen Lichts vermieden, und werden somit optimal auf die Fotovoltaikzelle umgelenkt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Fotovoltaikmoduls besteht darin, dass auf Grund der Konstanthaltung der Temperatur der Fotovoltaikzelle das Auftreten von Mikrorissen und damit die Alterung der Fotovoltaikzelle deutlich verlangsamt wird. Weiterhin üben die wellenlängenverschiebenden Eigenschaften des lichtdurchlässigen Wärmeträgers eine Schutzwirkung für die Fotovoltaikzelle aus, indem die Einwirkung von schädlichen und die Lebensdauer einschränkenden Spektralanteilen, insbesondere von kurzwelligen UV Spektralanteilen, stark gesenkt wird.
Eine Fotovoltaikanlage weist zumindest ein, in der Regel aber eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Fotovoltaikmodulen der oben beschriebenen Art auf. Es enthält zumindest Mittel zur Zirkulation eines Kühlmediums für die Foto- voltaikmodule. In diese integriert sind Mittel zur Umsetzung der Wärmeenergie aus dem von den Fotovoltaikmodulen der Anlage kommenden Kühlmedium in mechanische Energie durch Verdampfung des Kühlmediums. Weiterhin sind Mittel zur Kühlung des Kühlmediums durch Kondensation und Mittel zur Umsetzung der mechanischen Energie in elektrische Energie vorhanden. Schließlich ist eine elektrische Speicher- und/oder Wandlereinheit, insbesondere ein batteriegepufferter Wechselrichter, für die von den Fotovoltaikmodulen der Anlage erzeugte elektrische Energie vorhanden.
Bei den Mitteln zur Umsetzung der Wärmeenergie des Kühlmediums in mechanische Energie kann es sich z.B. um eine Wärmepumpe handeln.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung einer Fotovoltaikanlage ist in die Zirkulationsmittel eine Turbine zur Umsetzung der Wärmeenergie in mechanische Energie integriert. Diese weist einen Kondensator zur Kühlung des Kühlmediums durch Kondensation auf. An die Turbine ist schließlich ein Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie angeschlossen. Ein solches System kommt vollständig ohne Fremdenergie aus, in dem das unter Druck stehende und einen niedrigen Siedepunkt bei ca. 5 - 6 Grad Celsius aufweisende Kühlmedium bei Eintritt in die Turbine entspannt wird und diese antreibt. Mit Hilfe eines Kondensators wird das Kühlmittel dann vollständig verflüssigt, und kann z.B. durch Unterstützung mit einer Passivkühlung wieder als Kältemittel in den Zirkulationskreislauf rückgespeist werden.
Je nach Ausführung kann es sich bei dem Kühlmittel z.B. um ein Alkohol- Wasser-Gemisch handeln, welches in einem vom lichtdurchlässigen Wärme- träger im Inneren der Fotovoltaikmodule getrennten Kreislauf zirkuliert. Andererseits ist auch möglich, dass der lichtdurchlässige und wellenlängenverschiebende Wärmeträger direkt als Kältemittel im Zirkulationskreislauf wirkt, und alle Fotovoltaikmodule und deren Fotovoltaikzellen großflächig umspült.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung derselben werden nachfolgend an Hand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 eine beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Fotovol- taikmoduls in einer perspektivischen Seitenansicht, und
Fig. 2 eine beispielhafte aus sechs in Serie geschalteten erfindungsgemäßen Fotovoltaikmodulen bestehende Fotovoltaikanlage in einer Draufsicht.
Das in Fig. 1 dargestellte beispielhafte Fotovoltaikmodul 1 weist eine einstrahlungsaktive Oberseite 10 auf, in welche Sonnenlicht A mit den von der Erdatmosphäre durchgelassenen Wellenlängenspektralanteilen einfällt. Dieses tritt in eine transparente Aufnahmeeinrichtung 20 ein, welche z.B. als ein Fluidbehälter aus Glas ausgeführt sein kann. Die Aufnahmeeinrichtung 20 ist erfindungsgemäß mit einem lichtdurchlässigen Wärmeträger 21 befüllt, welche wellenlängenverschiebende Eigenschaften aufweist, z.B. eine lichtum- wandlungsaktive Kühl- bzw. Korrosionsschutzflüssigkeit. Vorteilhaft ist die Innenfläche der einstrahlungsaktiven Oberseite 10 zusätzlich als eine Reflektorfläche 22 ausgebildet.
Unterhalb der transparenten Aufnahmeeinrichtung 20 ist eine Fotovoltaikzelle 30 angeordnet, z.B. eine monokristalline Standardsolarzelle auf Siliziumbasis, welche erfindungsgemäß einen begrenzten, auf die wellenlängenverschiebenden Eigenschaften des Wärmeträgers 21 abgestimmten Sensitivitätsbe- reich aufweist. Die einstrahlungsaktive Oberseite 31 der Fotovoltaikzelle 30 ist somit von der transparenten Aufnahmevorrichtung 20 zumindest abgedeckt. Das vom lichtdurchlässigen Wärmeträger 21 umgewandelte Licht B mit mindestens einem verschobenen Wellenlängenspektralanteil tritt somit in die einstrahlungsaktive Oberseite 31 ein und kann von der Fotovoltaikzelle 30 in elektrische Energie umgewandelt werden. Die elektrischen Anschlüsse der Fotovoltaikzelle 30 sind aus Gründen der besseren Übersicht in Fig. 1 nicht dargestellt.
Erfindungsgemäß weist das beispielhafte Fotovoltaikmodul 1 von Fig. 1 Mittel 40 zur Kühlung des lichtdurchlässigen Wärmeträgers 21 im Fluidbehälter 20 auf. Dieses kann z.B. in Form eines Rohrleitungssystems zur Zu-, Durch- und Abführung eines Kühlmediums ausgeführt sein, z.B. eines Gemisches aus Wasser- und Alkohol. Bei einer anderen Ausführung kann auch der lichtdurchlässigen Wärmeträger selbst als Kühlmedium dienen und z.B. vollflächig durch die Aufnahmevorrichtung 20 hindurchgefördert werden.
In Fig. 2 ist eine Fotovoltaikanlage 50 gezeigt, welche beispielhaft aus sechs Fotovoltaikmodulen Ia - If aufgebaut ist. Diese wärmetechnisch in Reihe geschaltet, in dem ein Kühlmedium über eine Vorlaufleitung 51 zugeführt, über Zirkulationsleitungen 52 von Modul zu Modul weitergeleitet und schließlich über eine Rücklaufleitung 53 wieder gesammelt wird.
In den Zirkulationskreis des Kühlmediums ist eine Turbine 57 eingeschaltet. Dieser wird das über die Rücklaufleitung 53 gesammelte, auf Grund des einfallenden Sonnenlichts in den Fotovoltaikmodulen Ia - If der Anlage er- wärmte und vorteilhaft unter Überdruck stehende Kühlmedium zugeführt. Mit Eintritt des Kühlmediums in die Turbine 57 wird dieses verdampft und damit mechanische Arbeit zum Antrieb der Turbine verrichtet. Auf Grund der Entspannung wird das Kühlmedium dabei zugleich abgekühlt und kann über einen vorteilhaft zusätzlich nachgeschalteten Kondensator wieder vollständig verflüssigt werden. Es steht nun auf niedrigem Temperaturniveau wieder ü- ber die Leitung 51 zur Einspeisung in die Kette der Fotovoltaikmodulen Ia - If zur Verfügung.
Die in der Turbine 57 frei werdende mechanische Arbeit wird schließlich über einen angekoppelten Generator 58 in elektrische Energie gewandelt, welche über eine Einspeiseleitung 59 z.B. einem elektrischen Energieverteilungsnetz zugeführt werden kann. Weiterhin sind die Gleichspannungsausgänge der Fotovoltaikmodulen Ia - If der Anlage über eine Verkabelung 54 zusam- mengefasst und an eine elektrische Speicher- und/oder Wandlereinheit 55 angeschlossen, z.B. einen Wechselrichter mit Batteriepuffer. Auch die vom Wechselrichter erzeugte Spannung kann über eine Einspeiseleitung 56 z.B. einem elektrischen Energieverteilungsnetz zugeführt werden.
Eine Fotovoltaikanlage der in Fig. 2 dargestellten Art weist einen besonders hohen Wirkungsgrad auf, da sowohl die in den Fotovoltaikmodulen Ia - If auftretende solarthermische Wärme als auch der durch das Sonnenlicht eingestrahlte Photonenstrom in den Fotovoltaikmodulen in elektrische Energie umgewandelt wird. Zudem kann eine solche Anlage ohne Fremdenergie betrieben werden. Schließlich ist möglich, dass die im Zirkulationskreislauf der Leitungen 51, 52, 53 durch die Fotovoltaikmodul hindurch geförderte Flüssigkeit zugleich der Wärmeträger mit den wellenlängenverschiebenden Eigenschaften ist. Bezuqszeichenliste
A einfallendes Sonnenlicht mit den von der Erdatmosphäre durchgelassenen Wellenlängenspektralanteilen
1 Fotovoltaikmodul
10 Einstrahlungsaktive Oberseite des Moduls
20 transparente Aufnahmeeinrichtung, insbesondere Fluidbehälter
21 lichtdurchlässiger Wärmeträger mit wellenlängenverschiebenden Eigenschaften
22 Reflektorfläche
30 Fotovoltaikzelle mit einem begrenzten Sensitivitätsbereich, z.B. eine monokristalline Standsolarzelle auf Siliziumbasis
31 Einstrahlungsaktive Oberseite der Fotovoltaikzelle
40 Mittel zur Kühlung des lichtdurchlässigen Wärmeträgers
B umgewandeltes Licht mit mindestens einem vom lichtdurchlässigen Wärmeträger verschobenem Wellenlängenspektralanteil
50 Fotovoltaikanlage
Ia - If Fotovoltaikmodule der Fotovoltaikanlage
51 Vorlaufleitung für eine Kühlmedium
52 Zirkulationsleitung
53 Rücklaufleitung
54 Verkabelung der Spannungsausgänge der Fotovoltaikmodule
55 elektrische Speicher- und/oder Wandlereinheit, z.B. ein Wechselrichter mit Batteriepuffer Einspeiseleitung des Wechselrichters z.B. in ein elektrisches Energieverteilungsnetz
Turbine mit nachgeschaltetem Kondensator
angekoppelter elektrischer Generator
Einspeiseleitung des Generators z.B. in ein elektrisches Energieverteilungsnetz

Claims

Schutzansprüche
1. Fotovoltaikmodul (1) mit
a) mindestens einer Fotovoltaikzelle (30) mit einem begrenzten Sensitivitätsbereich,
b) einer transparenten Aufnahmevorrichtung (20), welche
- zumindest die einstrahlungsaktive Oberseite (31) der mindestens einen Fotovoltaikzelle (30) überdeckt, und die
- einen lichtdurchlässigen Wärmeträger (21) mit wellenlängenverschiebenden Eigenschaften enthält, wobei die auf das einfallende Sonnenlicht (A) einwirkenden wellenlängenverschiebenden Eigenschaften auf den begrenzten Sensitivitätsbereich der Fotovoltaikzelle (30) so abgestimmt sind, dass das vom lichtdurchlässigen Wärmeträger (21) umgesetzte Licht (B) von der Fotovoltaikzelle (30) nutzbar ist, und mit
c) Mitteln (40) zur Konstanthaltung des lichtdurchlässigen Wärmeträgers (21) möglichst in einem für die mindestens eine Fotovoltaikzelle (30) wirkungsgradoptimalen Temperaturbereich.
2. Fotovoltaikmodul nach Anspruch 1, wobei
der lichtdurchlässige Wärmeträger (21) zur Einstellung der wellenlängenverschiebenden Eigenschaften mindestens einen Zusatz aufweist, welcher eine Vergrößerung von Wellenlängen des einfallenden Sonnenlichtes (A) bewirkt.
3. Fotovoltaikmodul nach Anspruch 2, wobei
der mindestens eine Zusatz des lichtdurchlässigen Wärmeträgers (21) so ausgewählt ist, dass dieser eine Umwandlung von kurzen Wellenlängenanteilen des einfallenden Sonnenlichts (A) in von der Fotovoltaikzelle (30) nutzbares Licht (B) mit langen Wellenlängenanteilen bewirkt.
4. Fotovoltaikmodul nach Anspruch 3, wobei
der mindestens eine Zusatz des lichtdurchlässigen Wärmeträgers (21) eine Umwandlung von UV Wellenlängenanteilen des einfallenden Sonnenlichts (A) in nutzbares Licht (B) mit blauen, grünen und/oder gelben Wellenlängenanteilen bewirkt.
5. Fotovoltaikmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche 2 bis 4, wobei
der lichtdurchlässige Wärmeträger (21) zur Einstellung der wellenlängenverschiebenden Eigenschaften mindestens einen fluoreszierenden und/oder phosphoreszierenden Zusatz aufweist.
6. Fotovoltaikmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
der lichtdurchlässige Wärmeträger (21) zur Einstellung der wellenlängenverschiebenden Eigenschaften mindestens einen Zusatz aufweist, welcher eine Verkleinerung von Wellenlängen des einfallenden Sonnenlichtes (A) bewirkt.
7. Fotovoltaikmodul nach Anspruch 6, wobei
der mindestens eine Zusatz des lichtdurchlässigen Wärmeträgers (21) so ausgewählt ist, dass dieser eine Umwandlung von langen Wellenlängenanteilen des einfallenden Sonnenlichts (A) in von der Fotovoltaikzelle (30) nutzbares Licht (B) mit kurzen Wellenlängenanteilen bewirkt.
8. Fotovoltaikmodul nach Anspruch 7, wobei
der mindestens eine Zusatz des lichtdurchlässigen Wärmeträgers (21) eine Umwandlung von IR Wellenlängenanteilen des einfallenden Sonnenlichts (A) in nutzbares Licht (B) mit blauen, grünen und/oder gelben Wellenlängenanteilen bewirkt
9. Fotovoltaikmodul nach Anspruch 8, wobei
der lichtdurchlässige Wärmeträger (21) zur Einstellung der wellenlängenverschiebenden Eigenschaften Nanopartikel als mindestens einen Zusatz aufweist.
10. Fotovoltaikmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
der lichtdurchlässige Wärmeträger (21) eine Kühl- und/oder Korrosionsschutzflüssigkeit als Grundstoff aufweist.
11. Fotovoltaikmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
als lichtdurchlässiger Wärmeträger (21) eine lichtumwandlungs- aktive Kühl- und/oder Korrosionsschutzflüssigkeit verwendet wird, welche zur aktiven Kühlung zumindest von Komponenten mit hoher Verlustleistung in Computeranlagen eingesetzt wird.
12. Fotovoltaikmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
der lichtdurchlässige Wärmeträger (21) einen Siedepunkt von etwa 5 Grad Celsius aufweist.
13. Fotovoltaikmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
der lichtdurchlässige Wärmeträger (21) elektrisch leitend ist.
14. Fotovoltaikmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit
Mitteln (10) zur Reduzierung von Reflexen im Bereich der einstrahlungsaktiven Oberseite (31) der Fotovoltaikzelle (1) .
15. Fotovoltaikmodul nach Anspruch 14, mit
einer Antireflexbeschichtung (10) im Bereich der einstrahlungsaktiven Oberseite (31) der Fotovoltaikzelle (1) .
16. Fotovoltaikanlage (50) mit mindestens einem Fotovoltaikmodul (Ia - If) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit
a) Mitteln (51, 52, 53) zur Zirkulation eines Kühlmediums für das mindestens eine Fotovoltaikmodul (Ia - If), und mit
b) in die Zirkulationsmittel (51, 52, 53) integrierten Mitteln
zur Umsetzung der in dem von dem mindestens einen Fotovoltaikmodul (Ia-If) kommenden Kühlmedium enthaltenen Wärmeenergie in mechanische Energie durch Verdampfung des Kühlmediums,
zur Kühlung des Kühlmediums durch Kondensation, und
zur Umsetzung der mechanischen Energie in elektrische E- nergie (59), und mit
c) einer elektrischen Speicher- und/oder Wandlereinheit (55) für die von dem mindestens einen Fotovoltaikmodul (Ia - If) erzeugten elektrischen Energie (56).
17. Fotovoltaikanlage (50) nach Anspruch 16, mit
a) einer in die Zirkulationsmittel (51, 52, 53) integrierten Turbine mit Kondensator (57) als Mittel zur Umsetzung der Wärmeenergie in mechanische Energie und zur Kühlung des Kühlmediums durch Kondensation, und mit
b) einem an die Turbine (57) angeschlossenen Generator (58) zur Erzeugung von elektrischer Energie (59).
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