WO2023030866A1

WO2023030866A1 - Photovoltaik-thermisches modul und solarsystem

Info

Publication number: WO2023030866A1
Application number: PCT/EP2022/072670
Authority: WO
Inventors: Wilhelm Stein
Original assignee: Sunmaxx PVT GmbH
Priority date: 2021-09-06
Filing date: 2022-08-12
Publication date: 2023-03-09
Also published as: DE102021123000A1; CN118284986A; EP4399747A1

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Photovoltaik-thermische Modul (100) eine Vielzahl von Solarzellen (2) und einen Flächenkühlkörper (10). Der Flächenkühlkörper (10) basiert auf mindestens einem anorganischen Material und beinhaltet eine Vielzahl von Kühlkanälen (10c) und erstreckt sich zusammenhängend über die Solarzellen (2). Das Solarsystem (111) umfasst mindestens ein solches Photovoltaik-thermisches Modul (100) und eine Pumpvorrichtung (15) sowie eine Erdsonde (14). Die Pumpvorrichtung (15) ist dazu eingerichtet, eine Kühlflüssigkeit durch das mindestens eine Photovoltaikmodul (100) sowie durch die Erdsonde (14) zu pumpen.

Description

Beschreibung

Photovoltaik-thermisches Modul und Solarsystem

Es wird ein Photovoltaik-thermisches Modul angegeben . Darüber hinaus wird ein Solarsystem mit einem solchen Photovoltaik- thermischen Modul angegeben .

Die Druckschri ft US 10 381 500 B2 betri f ft ein Photovoltaikmodul mit einer integrierten Flüssigkühlung .

Aus der Druckschri ft EP 1 525 428 Bl ist ein Hydrauliknetzwerk für einen Kühlkörper bekannt .

Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, ein Photovoltaik- thermisches Modul anzugeben, das ef fi zient betreibbar ist .

Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Photovoltaik- thermisches Modul und durch ein Solarsystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst . Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das Photovoltaik-thermische Modul , kurz PVT-Modul , eine Viel zahl von Solarzellen . Die Solarzellen basieren zum Beispiel auf Sili zium und/oder auf Germanium und/oder auf einem Verbindungshalbleitermaterial wie CdTe oder wie CuInGaS , kurz GIGS , oder CuInS , kurz CIS . Ebenso können die Solarzellen auf Perovskit oder zumindest einem organischen, fotoaktiven Material basieren . Bei Dünnschichtmodulen, insbesondere basierend auf CdTe , CIGS , CIS , amorphem Si oder Perovskit , liegen die fotoaktiven Schichten bevorzugt in Strei fen vor, zum Beispiel mit einer Breite von mindestens 3 mm und/oder von höchstens 3 cm .

Es ist möglich, dass mehrere verschieden Arten von Solarzellen oder Halbleitermaterialien in dem PVT-Modul miteinander kombiniert sind, um eine höhere Ef fi zienz zu erreichen . Beispielsweise weisen die einzelnen, zum Beispiel kristallinen Solarzellen einen mittleren Durchmesser von mindestens 5 cm oder von mindestens 10 cm und/oder von höchstens 50 cm auf . Der mittlere Durchmesser D ergibt sich aus einer Fläche A der Solarzelle beispielsweise wie folgt : D =

Es ist auch möglich, dass die Zellen halbiert oder gedrittelt und so weiter oder in Strei fen geschnitten sind . Damit stellen die kristallinen Solarzellen dann keine Quadrate oder Pseudo-Quadrate , sondern Rechtecke dar .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das PVT-Modul einen oder mehrere Flächenkühlkörper . Der bevorzugt genau eine Flächenkühlkörper kann auch als Kühlplatte oder als Rückseitenkühler bezeichnet werden . Der Flächenkühlkörper basiert auf mindestens einem anorganischen Material , wie einem Glas oder einem Metall , zum Beispiel Aluminium . Der Begri f f , basierend auf mindestens einem anorganischen Material ' bedeutet zum Beispiel , dass mindestens 80 Gewichts- % oder mindestens 90 Gewichts-% oder mindestens 98 Gewichts-% des Flächenkühlkörpers durch das mindestens eine anorganische Material gebildet sind . Dies schließt nicht aus , dass kleine Komponenten des Flächenkühlkörpers , insbesondere nicht mechanisch tragende Komponenten wie Dichtungen oder Etiketten, aus organischen Materialien gebildet sein können . Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst der Flächenkühlkörper eine Viel zahl von Kühlkanälen . Die Kühlkanäle sind dazu eingerichtet , von einer Kühl flüssigkeit durchströmt zu werden .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form erstreckt sich der Flächenkühlkörper teilweise oder vollständig über die Solarzellen oder über Teile der Solarzellen . Zum Beispiel ist in Draufsicht auf das PVT-Modul gesehen der Flächenkühlkörper an mindestens 80 % oder mindestens 90 % oder mindestens 95 % einer Fläche aller Solarzellen zusammengenommen angebracht . Das heißt , im Wesentlichen die gesamte Fläche der Solarzellen kann an den Flächenkühlkörper angebunden sein . Es ist möglich, dass etwa aus Fertigungsgründen die Solarzellen an einem äußeren Rand des PVT-Moduls , in Draufsicht gesehen, nur zum Teil an den Flächenkühlkörper angebunden sind . Das heißt , es kann einen umlaufenden Rand um das PVT-Modul geben, der frei von dem Flächenkühlkörper ist . Eine Breite eines solchen Rands liegt zum Beispiel bei höchstens 5 cm oder höchstens 1 cm . Bevorzugt befinden sich alle Solarzellen vollständig auf dem Flächenkühlkörper .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form erstreckt sich der Flächenkühlkörper zusammenhängend über die betref fenden Solarzellen oder Teile von Solarzellen . Das heißt , insbesondere für alle Solarzellen des PVT-Moduls ist ein einziger gemeinsamer Flächenkühlkörper vorhanden, der zum Beispiel frei von Lücken oder Löchern ist .

In mindestens einer Aus führungs form umfasst das PVT-Modul eine Viel zahl von Solarzellen und einen Flächenkühlkörper . Der Flächenkühlkörper basiert auf mindestens einem anorganischen Material , beinhaltet eine Viel zahl von Kühlkanälen für eine Kühl flüssigkeit und erstreckt sich teilweise oder vollständig, insbesondere zusammenhängend, über die Solarzellen oder über Teile der Solarzellen .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst der Flächenkühlkörper mindestens zwei Platten oder genau zwei Platten, zwischen denen die Kühlkanäle gebildet sind . Damit ist es möglich, dass der Flächenkühlkörper ein abgeschlossenes , dichtes System ist , das ohne weitere Komponenten tauglich ist , von der Kühl flüssigkeit durchströmt zu werden . Insbesondere sind die Kühlkanäle vollständig durch die Platten definiert , optional zusammen mit einem Verbindungsmittel zwischen den Platten und/oder zum Zusammenhalten der Platten .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist eine erste der Platten, die den Solarzellen zugewandt ist , plan . Alternativ oder zusätzlich sind durch eine zweite der Platten, die den Solarzellen abgewandt ist , die Kühlkanäle definiert . Das heißt , die Kühlkanäle können in der zweiten Platte geformt sein .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form sind die Kühlkörperplatten durch Metallplatten gebildet , zum Beispiel durch Aluminiumplatten . Alternativ sind die Kühlkörperplatten durch Glasplatten gebildet , sodass der Flächenkühlkörper lichtdurchlässig sein kann . Das Verbindungsmittel ist dann zum Beispiel ein metallisches Lot oder ein Glaslot . Außerdem können alle Arten von Glas-Glas-Bonden Anwendung finden . Weiterhin können Laminationsverfahren angewandt werden, zum Beispiel mit strukturierten Laminations folien insbesondere als Verbindungsmittel . Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist der

Flächenkühlkörper unmittelbar mit einer Laminations folie verbunden, in der die Solarzellen teilweise oder vollständig eingebettet sind . Die Laminations folie ist zum Beispiel eine Ethylen-Vinyl-Acetat-Folie , kurz EVA- Folie . Alternativ befindet sich zwischen dem Flächenkühlkörper und der Laminations folie eine oder mehrere elektrische I solationsschichten . Es ist möglich, dass die I solationsschicht unmittelbar an die Laminations folie und an den Flächenkühlkörper angrenzt .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form weisen die Kühlkanäle eine verzweigte Struktur auf . Mit anderen Worten kann für den Flächenkühlkörper ein einziger Abfluss und ein einziger Zufluss vorgesehen sein, zwischen denen die Kühlkanäle eine verästelte , flächige Struktur ausbilden .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form beträgt ein mittlerer Abstand zwischen benachbarten Kühlkanälen höchstens 50 % oder höchstens 40 % oder höchstens 30 % des mittleren Durchmessers der Solarzellen, in Draufsicht auf die Solarzellen gesehen . Alternativ oder zusätzlich machen die Kühlkanäle und damit ein Bereich für die Kühl flüssigkeit j eweils mindestens 20 % oder mindestens 50 % einer Grundfläche der Solarzellen aus .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form beträgt ein mittlerer Abstand zwischen benachbarten Kühlkanälen höchstens 50 % oder höchstens 40 % oder höchstens 30 % einer Längsseite der Solarzellen, in Draufsicht auf die Solarzellen gesehen . Die Längsseite entspricht bei rechteckigen Solarzellen der längeren Seite . Insbesondere verlaufen die Kühlkanäle quer zu der Längsseite . Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist der Flächenkühlkörper eine Dicke zwischen einschließlich 1 mm und 10 cm oder zwischen einschließlich 1 mm und 3 cm oder zwischen einschließlich 2 mm und 12 mm auf . Dabei ist es möglich, dass eine Materialdicke der Platten des Flächenkühlkörpers zu höchstens 70 % oder zu höchstens 50 % oder zu höchstens 30 % zur Dicke des Flächenkühlkörpers beiträgt , sodass die Dicke des Flächenkühlkörpers zu einem großen Teil durch Innendurchmesser der Kühlkanäle vorgegeben sein kann .

Gemäß zumindest einer Aus führungs form trägt der Flächenkühlkörper die Solarzellen mechanisch . Das heißt , das PVT-Modul kann frei von einem um die Solarzellen umlaufenden Trägerrahmen sein .

Darüber hinaus wird ein Solarsystem mit einem solchen PVT- Modul , wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Aus führungs formen beschrieben, angegeben . Merkmale des PVT-Moduls sind daher auch für das Solarsystem of fenbart und umgekehrt .

In mindestens einer Aus führungs form umfasst das Solarsystem mindestens ein PVT-Modul , eine Pumpvorrichtung und eine Erdsonde . Die Pumpvorrichtung ist dazu eingerichtet , eine Kühl flüssigkeit durch das mindestens eine PVT-Modul sowie durch die Erdsonde zu pumpen .

Darüber hinaus wird ein Betriebsverfahren für das Solarsystem angegeben, bei dem die Kühl flüssigkeit durch das mindestens eine PVT-Modul sowie durch die Erdsonde gepumpt wird . Das heißt , die Wärme , die vom PVT-Modul abgeführt wird, wird in diesem Fall nicht genutzt , sondern dient lediglich als Temperaturreduzierung für das PVT-Modul . In diesem Sinne kann das PVT-Modul als reines PV-Modul mit Kühlung angesehen werden, da nur Strom gewonnen wird, aber keine Wärme . Der Begri f f PVT-Modul schließt dies bevorzugt mit ein .

Nachfolgend werden ein hier beschriebenes PVT-Modul , ein hier beschriebenes Solarsystem und ein hier beschriebenes Betriebsverfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Aus führungsbeispielen näher erläutert . Gleiche Bezugs zeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an . Es sind dabei j edoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt , vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein .

Es zeigen :

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Abwandlung eines PVT -Moduls ,

Figur 2 eine schematische Ansicht von unten des PVT-Moduls der Figur 1 ,

Figur 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Aus führungsbeispiels eines hier beschriebenen PVT- Moduls ,

Figur 4 eine schematische Ansicht von unten des PVT-Moduls der Figur 3 , Figur 5 eine schematische Schnittdarstellung eines

Aus führungsbeispiels eines hier beschriebenen PVT-

Moduls , und

Figur 6 eine schematische Schnittdarstellung eines Aus führungsbeispiels eines Solarsystems mit hier beschriebenen PVT -Modulen .

Photovoltaik-Module , kurz PV-Module , sind heute schon eine Säule der Energieversorgung und werden in Zukunft zur fossil freien und COg- freien Energieversorgung noch deutlich an Bedeutung gewinnen . Dabei sind die Kosten in den letzten zehn Jahren um ungefähr 90 % gefallen, sodass Solarstrom heutzutage weltweit die günstigste Stromerzeugungs form darstellt . Dennoch wandelt ein PV-Modul heute lediglich ungefähr 20 % der eingestrahlten Sonnenenergie in Strom um, der Rest geht als Abwärme verloren .

Aus diesem Grund stellt sich die Frage , wie diese Abwärme nutzbar gemacht werden könnte und damit die Gesamtef fi zienz eines PV-Moduls deutlich gesteigert werden kann . Diese Module , die die Wärme thematisieren, werden als Photovoltaik- thermische Module oder kurz PVT -Module bezeichnet . Neben elektrischer Energie produzieren solche PVT-Module gleichzeitig auch Wärme , zumeist in Form von Warmwasser .

Dabei werden auf ein normales PV-Modul Kupferschlangen auf der Rückseite des Moduls auf geschweißt , durch die dann Wasser und/oder Glykol als Frostschutzmittel gepumpt wird . Die einfallende Solarstrahlung erwärmt das durchfließende Wasser, welches dann weiterverwendet werden kann .

Eine solche Abwandlung eines PVT-Moduls 90 ist in den Figuren 1 und 2 illustriert . Mehrere zum Beispiel kristalline Solarzellen 2 sind über elektrische Zellverbinder 3 miteinander verbunden und in eine Laminationsfolie 4, wie eine EVA- Folie, eingebettet. Die Laminationsfolie 4 befindet sich an einem Frontglas 1. An einer dem Frontglas 1 gegenüberliegenden Seite der Laminationsfolie 4 befindet sich eine Rückwandfolie 5, zum Beispiel eine Polyvinylfluorid- Folie, kurz PVF-Folie, wie eine Tedlar-Folie, oder alternativ ein Rückglas. Kupferrohre 6 dienen als Fluidträger. Das PVT- Modul 90 wird durch einen Trägerrahmen 7, zum Beispiel aus Aluminium, mechanisch getragen. Zum Einleiten und Ausleiten einer Kühlflüssigkeit, nicht gezeichnet, sind an einer Rückseite des PVT-Moduls 90 ein Vorlauf 8a für die noch kalte Kühlflüssigkeit und ein Rücklauf 8b für die erwärmte Kühlflüssigkeit angebracht.

Verschiedene Eintrittsbarrieren verhindern den breiten Einsatz solcher PVT -Module:

1. Ein Hochtemperatur-Betrieb bei > 60 °C führt dazu, dass die Solarzellen zusätzlich erhitzt werden und weniger Solarstrom liefern wie im normalen Betrieb.

2. Die Technik mit auf geschweißten Kupferrohren ist schwer zu skalieren und ist nicht ohne Weiteres in der Massenproduktion umzusetzen, wodurch die Herstellungskosten vergleichsweise hoch sind.

3. Die Verwendung der Wärme, insbesondere im Sommer, wenn große Mengen zur Verfügung stehen, aber die Bedarfe eher niedrig ist, ist ein zusätzliches Markthemmnis.

4. Die Qualität und Effizienz der Kupferleitungstechnik für die Wärmeübertragung ist nicht besonders hoch.

Mit dem Aufkommen von Wärmepumpen zur fossilfreien Beheizung von Häusern, Wohnungen und Gebäuden konnten mittlerweile verschiedene Eintrittsbarrieren beseitigt oder herabgesetzt werden :

1 . Moderne PVT -Module arbeiten in einem Niedertemperatur- Betrieb mit Temperaturen unterhalb von ungefähr 40 ° C und sorgen damit für eine Kühlung der Solarzellen statt für deren Erhitzung, das heißt , dadurch kann das Solarmodul nicht weniger, sondern sogar mehr Strom erzeugen .

2 . Die Niedertemperatur-Wärme kann beim Einsatz von Wärmepumpen dazu verwendet werden, eine Vorlauftemperatur zu erhöhen und damit einen ef fi zienteren Betrieb zu ermöglichen .

Weiterhin stellen allerdings die hohen Kosten und die mangelnde Skalierbarkeit der in den Figuren 1 und 2 beschriebenen PVT-Module mit den Kupferrohren 6 eine erhebliche Eintrittsbarriere in den Markt dar . Dieses Problem wird mit den hier beschriebenen PVT -Modulen 100 gelöst .

Ein Teil der Lösung liegt insbesondere darin, dass die Kupferröhren 6 auf der Rückseite des Moduls 90 durch einen voll flächigen Flächenkühlkörper 10 , insbesondere aus Aluminium, ersetzt werden, siehe das PVT-Modul 100 der Figuren 3 und 4 . Solche Flächenkühlkörper 10 , auch als Kühlplatte bezeichnet , werden zum Beispiel in der Automobiltechnik verwendet . Der Flächenkühlkörper 10 besteht dabei typischerweise aus zwei dünnen Aluminiumblechen 10a, 10b und einem Verbindungsmittel l Od, wobei in eine der beiden Platten 10b etwa durch einen Stanzvorgang eine Kanalstruktur mit einer Viel zahl von Kühlkanälen 10c eingeprägt ist . Diese hochef fi ziente Kanalstruktur besteht aus vielen Verästelungen und ist darauf optimiert , möglichst ef fi zient Wärme abzuführen und möglichst niedrige Druckverluste zu ermöglichen . Nach dem Stanzvorgang wird die geprägte Al-Platte 10b mit der ebenen Al-Platte 10a in einem speziellen Lötprozess in einem Ofen bei hohen Temperaturen, insbesondere zwischen 300 ° C und 700 ° C, verbunden, wobei sich das Lot l Od dabei meist bereits vor dem Löten auf den Al-Platten befindet . Dadurch entsteht dann die Al-Kühlplatte 10 , die wiederum auf die Rückseite eines PV-Laminates aufgeklebt oder auflaminiert wird, insbesondere mittels einer Haftschicht 9 , die zum Beispiel aus einem Kleber ist oder durch eine weitere EVA-Folie gebildet ist . Ein PV-Laminat ist dabei ein PV-Modul ohne Rahmen 7 und ohne elektrische Anschlussdose 22 . Es ist auch möglich, dass ein PV-Modul mit Anschlussdose 22 aber ohne Rahmen 7 als PV-Laminat bezeichnet wird .

Danach wird die Anschlussdose 22 gesetzt , der Rahmen 7 wird angebracht und eventuell eine thermische I solierung aus Schaumstof f oder dergleichen auf eine den Solarzellen 2 abgewandte Seite des Flächenkühlkörpers 10 aufgebracht , nicht gezeichnet . Ferner kann die Anschlussdose 22 optional mit elektrischen Anschlusskabeln 23 samt Stecker versehen werden .

Neben der extrem hohen Ef fi zienz dieses PVT-Moduls 100 gemäß der Figuren 3 und 4 sind auch die hohe Massenproduktionstauglichkeit und die damit einhergehenden perspektivisch niedrigen Kosten ein deutlicher Fortschritt gegenüber der Abwandlung 90 gemäß der Figuren 1 und 2 .

Der Flächenkühlkörper 10 der Figuren 3 und 4 basiert insbesondere auf Al-Platten 10a, 10b, die eine Dicke von beispielsweise 1 mm aufweisen . Innendurchmesser der Kühlkanäle 10c sind zum Beispiel 1 mm bis 4 mm . Ein Abstand zwischen benachbarten Kühlkanälen 10c beträgt zum Beispiel mindestens 4 mm und/oder höchstens 20 mm . Dies kann ebenso für auf Glasplatten basierende Flächenkühlkörper 10 gelten .

Am Vorlauf 8a und am Rücklauf 8b können die Kühlkanäle 10c vergleichsweise breit sein . An einer Viel zahl von Verzweigungen, die insbesondere Bi furkationen oder Tri furkationen sind, erfolgt eine Verästelung der Kühlkanäle 10c, sodass mit zunehmender Entfernung vom Vorlauf 8a und/oder vom Rücklauf 8b eine Breite der Kühlkanäle 10c abnehmen kann .

Es ist möglich, dass eine Dicke der Kühlkanäle 10c unabhängig von der Entfernung zum Vorlauf 8a und/oder zum Rücklauf 8b über den ganzen Flächenkühlkörper 10 hinweg konstant ist , um einen flachen Flächenkühlkörper 10 zu verwirklichen . Beispielsweise weisen die Kühlkanäle 10c einen halbkreis förmigen Querschnitt auf , wobei eine flache Seite hin zu den Solarzellen weist .

Im Übrigen gelten die Aus führungen zu den Figuren 1 und 2 in gleicher Weise für die Figuren 3 und 4 , und umgekehrt .

Eine Weiterbildung der eben beschriebenen Aus führung stellt die Integration der Kühlplatte 10 in die PVT-Module 100 , siehe Figur 5 . Dabei wird die Kühlplatte 10 nicht mehr nachträglich mit dem fertigen PV-Laminat verbunden, sondern die Kühlplatte 10 ersetzt die normale Rückseite des PV-Moduls komplett . Beispielsweise PV-Module mit kristallinen Solarzellen 2 haben als Rückseite in der Regel entweder eine witterungsbeständige PVF-Folie , die meist weiß oder schwarz ist , oder ein durchsichtiges Rückglas , zum Beispiel mit einer Dicke von 2 mm . Das Rückglas ist insbesondere zu bevorzugen, falls eine Bi fazialität des PVT-Moduls 100 gewünscht ist . Das Rückglas oder die PVF-Folie werden nun beim PVT-Modul 100 der Figur 5 komplett durch den Flächenkühlkörper 10 ersetzt . Das heißt , dass die Solarzellen 2 nach dem elektrischen Verbinden nicht mehr vor der Lamination auf das Rückglas oder die PVF-Folie gelegt werden, sondern direkt auf den Flächenkühlkörper 10 . Mit anderen Worten kann der Flächenkühlkörper 10 dann direkt an der Laminations folie 4 angebracht sein . Dabei umfasst das PVT-Modul 100 beispielsweise mindestens 50 und/oder höchstens 250 der Solarzellen 2 , zum Beispiel 60 oder 72 Solarzellen mit einer Größe von 6 Zoll , oder beispielsweise zwischen einschließlich 120 und 144 Halbzellen oder noch mehr Zellenstrei fen .

Die Einbettung der Solarzellen 2 findet bevorzugt mit der Laminations folie 4 , wie eine EVA-Folie , statt , die im Laminationsprozess aufschmil zt und die Solarzellen 2 vorne und hinten einbettet .

Um elektrische Überschläge zwischen dem Flächenkühlkörper 10 , der zum Beispiel auf elektrisch leitfähigem Aluminium basiert , und den Solarzellen 2 im Betrieb zu vermeiden, ist optional noch ein zusätzliches hochisolierendes Material zwischen der Laminations folie 4 und dem Flächenkühlkörper 10 in einer elektrischen I solationsschicht 11 vorhanden . Zum Beispiel ist die elektrische I solationsschicht 11 aus mindestens einem organischen Material , wie einem Kunststof f , zum Beispiel Polyethylenterephthalat , kurz PET , oder aus mindestens einem anorganischen Material , wie einem Oxid oder Nitrid . Insbesondere weist die I solationsschicht 11 eine Dicke zwischen einschließlich 0 , 1 mm und 1 mm auf , um einen geringen thermischen Widerstand sicherzustellen . Alternativ kann auch die Laminations folie 4 direkt durch ein elektrisch hochisolierendes Material ersetzt werden, nicht gezeichnet , zum Beispiel durch ein Silikon oder durch lonomere .

Somit ist das Rückglas oder die PVF-Folie einsparbar, sodass keine separate , zweite Lamination mehr zur Aufbringung des Flächenkühlkörpers 10 nötig ist . Dies alles spart Kosten, zumal das PVT-Modul 100 damit schon mechanisch sehr stabil ist und ein Trägerrahmen 7 eventuell gar nicht mehr benötigt wird, was eine weitere erhebliche Kostenersparnis darstellt . Mit anderen Worten ist der Trägerrahmen 7 , wie in den Figuren 3 bis 5 gezeichnet , lediglich optional .

Ebenfalls kann der Flächenkühlkörper 10 mit Dünnschichtmodulen verbunden werden, die zum Beispiel auf CdTe , GIGS , a-Si , Perovskit , oder einer Organik basieren . Der Flächenkühlkörper 10 kann dabei nachträglich aufgebracht werden, wie weiter oben im ersten Aus führungsbeispiel der Figuren 3 und 4 beschrieben, oder der Flächenkühlkörper 10 kann ins Modul 100 direkt integriert werden . Bei Modulen 100 in sogenannter Superstrat-Konfiguration, die insbesondere auf Cd-Te oder a-Si basieren, wird der Schichtstapel auf dem Frontglas der Solarmoduls deponiert . Entsprechend kann anstatt des Rückglases direkt der Flächenkühlkörper 10 auf laminiert werden . Da CdTe-Module ohnehin lichtundurchlässig sind, das heißt , keine Bi fazialität besitzen, stellt dies auch keinerlei Verschlechterung bei Frei f lächenauf ständerung der PVT -Module 100 dar .

Kupf er- Indium-Gallium-Diselenid-basierte Module 100 , kurz

CIGS-Module , sind hingegen üblicherweise in Substrat- Technologie hergestellt , wobei der Schichtstapel mit den Solarzellen 2 auf dem Rückglas aufgebracht wird . Hier kann das Rückglas direkt durch den Flächenkühlkörper 10 ersetzt werden, sodass dieser als Substrat bei den zumeist Vakuum- Beschichtungsprozessen fungiert .

In einer weiteren erfindungsgemäßen Aus führungs form umfasst der Flächenkühlkörper 10 weiterhin eine hochef fi ziente , verästelte Kanalstruktur, allerdings werden die Metallplatten 10a, 10b durch eine oder durch zwei Glasschichten 10 , a 10b ersetzt . Die Struktur wird dabei bevorzugt direkt beim Herstellungsprozess des Glases nach einer Floatwanne im Abkühlprozess eingeprägt . Dadurch können die PVT -Module 100 einen durchsichtigen Flächenkühlkörper 10 umfassen, der auch Bi fazialität ermöglicht . Dies kann insbesondere für große Solarparks bei Frei flächenanwendungen ein großer Vorteil sein . Die Integration des glasbasierten Flächenkühlkörpers 10 ins PVT-Modul 100 kann dabei auf verschiedene Weise erfolgen .

Das geprägte Rückseitenglas 10b wird, wie im Fall von metallischen Platten 10a, 10b, bevorzugt mit einem glatten Glas 10a verbunden, zum Beispiel mittels Glasbonden, und dann als Ganzes nachträglich auf ein PV-Laminat auf laminiert . Alternativ dient der glasbasierte Flächenkühlkörper 10 wieder als Substrat im PV-Modullaminationsprozess und wird damit integraler Bestandteil des PVT -Moduls 100 . Um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen, kann das ebene Glas 10a des Flächenkühlkörpers 10 auch durch eine durchsichtige Folie ersetzt werden, die mit dem geprägten Kühlerglas 10b mit der Kanalstruktur 10c in geeigneter Weise verbunden ist , zum Beispiel mittels einer Klebung . Dieser Verbund 10a, 10b, l Od kann dann wiederum als Rückseite des PVT-Modules 100 integraler Bestandteil der Modulherstellung werden . Im Übrigen gelten die Aus führungen zu den Figuren 1 bis 4 in gleicher Weise für Figur 5 , und umgekehrt .

Eine weitere Aus führung betri f ft den Betrieb eines Solarsystems 111 mit solchen rückseitengekühlten PVT-Modulen 100 in Frei flächenanlagen, insbesondere in Gegenden mit hoher Einstrahlung durch die Sonne 20 und damit hoher Tagesumgebungstemperatur, wie in Teilen der USA, in Australien, Nordafrika, der arabischen Halbinsel , Indien, oder in Wüstengebieten in Zentralasien, wie in China . Durch den Temperaturkoef fi zienten der PVT-Module 100 kommt es hier zu hohen Ef fi zienzverlusten . Die Module 100 können in solchen Klimaregionen leicht Temperaturen von 70 ° C bis 80 ° C oder mehr erreichen . Dies führt zu elektrischen Verlusten von bis zu 15 % oder bis zu 20 % pro Jahr . Durch die ef fektive Kühlung der PVT-Module 100 mit dem zum Beispiel Al-basierten oder glasbasierten Flächenkühlkörper 10 kann der Ertrag solcher Parks , die für Leistungen im GW-Bereich ausgelegt sein können, um die erwähnten 15 % bis 20 % gesteigert werden, was Summen im zweistelligen bis dreistelligen Millionenbereich pro Jahr entsprechen kann, j e nach Größe des Solarparks . Im Falle von glasbasierten Flächenkühlkörpern 10 kann dann sogar die perfekte Kühlung des PVT-Moduls 100 mit zusätzlichem bi fazialen Ertrag kombiniert werden .

Vorteilhaft ist dabei j edoch eine Wärmesenke zu haben, die das erwärmte Fluid, dass die PVT-Module 100 durchströmt , wieder abkühlt . Sind Fließgewässer in der Nähe , so können diese genutzt werden : Das kalte Wasser wird entnommen, durchströmt die PVT-Module 100 zur Kühlung und wird leicht erhitzt wieder zurückgeleitet . Selbiges lässt sich ebenso durch Grundwasserleiter bewerkstelligen, etwa mit Schöpfbrunnen und Schluckbrunnen, sofern diese vorhanden sind . Weiterhin lässt sich die Durchströmung bei schwimmenden PV-Anlagen, die auf großen Gewässern, wie an Talsperren, installiert sind, sehr elegant integrieren, indem das vorhandene Wasser, auf dem die PVT-Module 100 schwimmen, zur Kühlung verwendet wird .

In den meisten Fällen, wie in Wüste , ist j edoch kein Gewässer zur Kühlung vorhanden . Hier bietet sich das Erdreich als Kältequelle an, siehe Figur 6 . Im Erdreich 17 herrschen in einer Tiefe von zum Beispiel 100 m bis 150 m normalerweise konstant ungefähr 10 ° C bis 15 ° C . Die zuvor durch die PVT- Module 100 zum Beispiel auf ungefähr 25 ° C erwärmte Kühl flüssigkeit , zum Beispiel Wasser, wird mittels einer Pumpvorrichtung 15 und mit Hil fe von Leitungen 16 durch eine Erdsonde 14 geleitet und dabei abgekühlt .

Danach kann die Kühl flüssigkeit zum Beispiel mit ungefähr 15 ° C wieder in die PVT-Module 100 geleitet werden und diese abkühlen, siehe in Figur 6 die Pfeile mit durchgezogenen Linien . Allerdings hei zt sich dadurch die Erdsonde 14 mit der Zeit immer weiter auf . Die Erdsonde 14 muss also regeneriert werden . Dies geschieht zum Beispiel in der Nacht . In der Nacht kühlt die Umgebung in Wüstengegenden üblicherweise schnell auf unter 10 ° C ab . Dadurch kann das kühle Fluid durch die Erdsonde 14 geleitet werden und diese wieder abkühlen und regenerieren, siehe in Figur 6 die Pfeile mit Strichlinien . Am nächsten Tag steht die Erdsonde 14 wieder zur Kühlung der PVT-Module 100 zur Verfügung .

Insgesamt bedeuten das Bohren von Erdsonden 14 , die hydraulische Verrohrung und der Einsatz von Flächenkühlkörpern 10 sowie des Pumpenstroms einen höheren Aufwand, der durch den erhöhten Ertrag der PVT-Module 100 wieder zu kompensieren ist , um eine wirtschaftliche Lösung darzustellen . Durch die lange Lebensdauer von Solarsystemen 111 und PVT-Modulen 100 von typisch mindestens 30 Jahren und durch die Tatsache , dass die Kühlung einen positiven Ef fekt auf die Altersstabilität der Modulkomponenten erwarten lässt , sodass die Lebensdauer der PVT-Module 100 dann bis zu 50 Jahre oder mehr betragen kann, und durch die hohen j ährlichen zusätzlichen Einnahmen, kann von einer schnellen Amortisierung dieser Zusatzinvestitionen ausgegangen werden .

Weiterhin lässt sich über Adsorptionstechnologie aus Wärme auch Kälte herstellen . Insbesondere in heißen Klimaregionen stellt die Umwandlung der Wärme eines PVT-Moduls 100 in Kälte und deren Nutzung zur Raumkühlung damit eine weitere Anwendungs form dar . Dabei ist zu beachten, dass häufig für die ef fi ziente Umwandlung von Wärme in Kälte höhere Temperaturen von zum Beispiel mindestens 50 ° C benötigt werden . Auch dies kann durch die hier beschriebenen PVT- Module 100 erreicht werden, da durch eine Verringerung der Durchflussgeschwindigkeit die Rücklauf temperatur des PVT- Moduls 100 auch problemlos auf diese Temperaturen gesteigert werden kann . Diese Hochtemperatur-Wärme kann dann zum Beispiel in einem Hochtemperaturtank gespeichert werden; sobald dieser Tank voll ist , kehrt das PVT-Modul 100 über seine Steuerung wieder in den stromef fi zienten Niedertemperatur-Betrieb zurück . Eine Kältemaschine kann ihre benötigte Wärme dann aus dem Hochtemperatur-Tank beziehen .

Im Übrigen gelten die Aus führungen zu den Figuren 1 bis 5 in gleicher Weise für Figur 6 , und umgekehrt .

Anwendungsgebiete für die hier beschriebenen PVT-Module 100 sind Solarzellen 2 aller Art , zum Beispiel kristalline oder bifaziale kristalline Module oder Dünnschichtmodule. Weiterhin kommen insbesondere folgende Einsatzgebiete der Module 100 in Betracht: Aufdach, Industrie, Freifläche, Niedertemperatur-Wärmenetze, schwimmende Anlagen, große Freif lächen-Solarparks, insbesondere in heißen Gegenden wie USA, Indien, Spanien, Arabien, Australien, Chile.

Mit den hier beschriebenen PVT-Modulen 100 lässt sich eine Steigerung der Gesamteffizienz von Solarmodulen von ungefähr 20 % auf bis zu 80 % oder mehr durch kombinierte Stromproduktion und Wärmeproduktion und deren Nutzung erreichen. Insbesondere bei knappen Flächen, wie Hausdächern oder Industriedächern oder Gewerbedächern, insbesondere mit hohen Bedarfen an Prozesswärme, ist dies besonders effizient. Weiterhin bevorzugt ist die Kombination mit Wärmepumpen zur Gebäudeheizung, was zu einer deutlichen Anhebung der Jahresarbeitszahl, JAZ, sowie zu einer Steigerung der Effizienz der Wärmepumpe führen kann. Weiterhin ist ein höherer Stromertrag durch die Kühlung insbesondere in heißen Klimaten erzielbar.

Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist . Bezugs zeichenliste

100 Photovoltaik-thermisches Modul ( PVT-Modul )

111 Solarsystem

1 Frontglas

2 Solarzelle

3 elektrischer Zellverbinder

4 Laminations folie

5 Rückwandfolie

6 Kupferrohr

7 Trägerrahmen

8a Vorlauf ( kalt )

8b Rücklauf (warm)

9 Haftschicht

10 Flächenkühlkörper

10a erste Platte , den Solarzellen zugewandt

10b zweite Platte , den Solarzellen abgewandt

10c Kühlkanal l Od Verbindungsmittel

11 elektrische I solationsschicht

14 Erdsonde

15 Pumpvorrichtung

16 Leitungen für die Kühl flüssigkeit

17 Erdreich

20 Sonne

22 elektrische Anschlussdose

23 elektrische Anschlusskabel samt Stecker

90 Abwandlung eines PVT-Moduls

Claims

Patentansprüche

1. Photovoltaik-thermisches Modul (100) mit

- einer Vielzahl von Solarzellen (2) , und

- einem Flächenkühlkörper (10) , wobei

- der Flächenkühlkörper (10) auf mindestens einem anorganischen Material basiert und eine Vielzahl von Kühlkanälen (10c) beinhaltet, und

- sich der Flächenkühlkörper (10) teilweise oder vollständig über die Solarzellen (2) oder Teile der Solarzellen (2) erstreckt .

2. Photovoltaik-thermisches Modul (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Flächenkühlkörper (10) zwei Platten (10a, 10b) umfasst, zwischen denen die Kühlkanäle (10c) gebildet sind.

3. Photovoltaik-thermisches Modul (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem eine erste der Platten (10a) , die den Solarzellen (2) zugewandt ist, plan ist, wobei durch eine zweite der Platten (10b) , die den Solarzellen (2) abgewandt ist, die Kühlkanäle (10c) definiert sind .

4. Photovoltaik-thermisches Modul (100) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kühlkörperplatten (10a, 10b) durch Metallplatten gebildet sind, die mittels eines Verbindungsmittels (lOd) miteinander verbunden sind.

5. Photovoltaik-thermisches Modul (100) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem die Kühlkörperplatten (10a, 10b) durch Glasplatten gebildet sind, sodass der Flächenkühlkörper (10) lichtdurchlässig ist.

6. Photovoltaik-thermisches Modul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Flächenkühlkörper (10) unmittelbar auf eine Laminationsfolie (4) , in der die Solarzellen (2) mindestens teilweise eingebettet sind, aufgebracht ist.

7. Photovoltaik-thermisches Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Solarzellen (2) mindestens teilweise in einer Laminationsfolie (4) eingebettet sind, wobei zwischen dem Flächenkühlkörper (10) und der Laminationsfolie (4) eine elektrische Isolationsschicht (11) angebracht ist.

8. Photovoltaik-thermisches Modul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kühlkanäle (10c) eine verzweigte Struktur bilden, wobei ein mittlerer Abstand zwischen benachbarten Kühlkanälen (10c) höchstens 50 % eines mittleren Durchmessers der Solarzellen (2) beträgt, in Draufsicht gesehen, und/oder höchstens 50 % einer mittleren Längsseite der Solarzellen (2) beträgt, in Draufsicht gesehen.

9. Photovoltaik-thermisches Modul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Flächenkühlkörper (10) die Solarzellen (2) mechanisch trägt, sodass das Photovoltaik-thermische Modul (100) frei ist von einem um die Solarzellen (2) umlaufenden Trägerrahmen .

10. Solarsystem (111) mit

- mindestens einem Photovoltaik-thermischen Modul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

- einer Pumpvorrichtung (15) , und - einer Erdsonde (14) , wobei die Pumpvorrichtung (15) dazu eingerichtet ist, eine Kühlflüssigkeit durch das mindestens eine Photovoltaik- thermische Modul (100) sowie durch die Erdsonde (14) zu pumpen .

11. Solarsystem (111) , das dazu ausgebildet ist zumindest teilweise auf einem Gewässer angeordnet zu werden, mit

- mindestens einem Photovoltaik-thermischen Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

- einer Pumpvorrichtung (15) , wobei die Pumpvorrichtung (15) dazu eingerichtet ist, Wasser des Gewässers als

Kühlflüssigkeit durch das mindestens eine Photovoltaik- thermische Modul (100) zu pumpen.