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WO2010136381A2 - Vorrichtung und verfahren zum kühlen von solarzellen mittels eines strömenden kühlmediums - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum kühlen von solarzellen mittels eines strömenden kühlmediums Download PDF

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WO2010136381A2
WO2010136381A2 PCT/EP2010/056961 EP2010056961W WO2010136381A2 WO 2010136381 A2 WO2010136381 A2 WO 2010136381A2 EP 2010056961 W EP2010056961 W EP 2010056961W WO 2010136381 A2 WO2010136381 A2 WO 2010136381A2
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cooling
phase
solar cell
cooling medium
heat
Prior art date
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PCT/EP2010/056961
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French (fr)
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WO2010136381A3 (de
Inventor
Jochen SCHÄFER
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Priority to US13/321,920 priority patent/US20120060896A1/en
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Publication of WO2010136381A3 publication Critical patent/WO2010136381A3/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/60—Arrangements for cooling, heating, ventilating or compensating for temperature fluctuations
    • H10F77/63—Arrangements for cooling directly associated or integrated with photovoltaic cells, e.g. heat sinks directly associated with the photovoltaic cells or integrated Peltier elements for active cooling
    • H10F77/68—Arrangements for cooling directly associated or integrated with photovoltaic cells, e.g. heat sinks directly associated with the photovoltaic cells or integrated Peltier elements for active cooling using gaseous or liquid coolants, e.g. air flow ventilation or water circulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/40—Thermal components
    • H02S40/44—Means to utilise heat energy, e.g. hybrid systems producing warm water and electricity at the same time
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/60—Thermal-PV hybrids

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for cooling solar cells by means of a flowing cooling medium, wherein the cooling medium is in direct or indirect thermal contact with at least one solar cell Ie and an external cooling device, as for example from DE 20 2007 002 087 Ul is known.
  • the efficiency of solar or photovoltaic cells in particular of silicon (Si) based solar cells, depends inter alia on the temperature. With increasing temperatures, the efficiency of crystalline Si solar cells decreases by about 0.4 percent per degree Celsius, and in the case of amorphous Si solar cells, the efficiency decreases by about 0.1 percent per degree Celsius. In direct sunlight, the temperature of a solar cell rises significantly above the ambient temperature, z. B. to over 35 degrees Celsius. This results in crystalline Si solar cells a calculated loss of efficiency of about 14 percent and in amorphous Si solar cells, a loss of efficiency of about 3.5 percent.
  • z For example, from 5 to 7 percent for large-scale produced amorphous Si solar cells and 16 to 20 percent for large-scale produced crystalline Si solar cells, it quickly becomes clear that the operating temperature of a solar cell represents a significant factor in terms of their yield. A reduction of the temperature can lead to a considerable increase in the performance of the solar cells with the same light irradiation. In general, a reduction of the temperature is achieved by an installation of the solar cells, in which an air flow is enabled or enforced and a corresponding solar cell module is cooled by air. Alternatively, active Cooling circuits, z. B. by a water cooling, be provided.
  • An example of an active cooling of solar cells with the aid of a cooling circuit is known from DE 20 2007 002 087 U1.
  • DE-Ul a system is described in which flows on the back of a solar cell, a cooling liquid and thereby absorbs heat of the solar cell.
  • the cooling liquid flows through a tube of a cooling circuit to a cooling device, for. B. a pool of water, where the cooling liquid releases the absorbed heat again.
  • the cooled cooling liquid then flows via a tube to the back of the solar cell, where the circuit is closed and the cooling process is repeated.
  • the object of the present invention is therefore to provide a device and a method for cooling solar cells, in which an effective cooling is guaranteed with comparatively less technical outlay and lower energy consumption.
  • it is an object to provide an apparatus and a method in which a high heat capacity of the cooling medium to an effective Abtrans- port which leads to the solar cells in sunlight heat. In this way, a cost-effective, effective cooling of the solar cells is to be ensured with a simple construction, whereby a high degree of efficiency of the solar cells is achieved.
  • the specified object is achieved with respect to the device for cooling solar cells by means of a flowing cooling medium having the features of claim 1 and with respect to the method having the features of claim 8.
  • the device according to the invention for cooling at least one solar cell has a flowing cooling medium.
  • the cooling of the device takes place by means of the flowing cooling medium, wherein the cooling medium is in direct or indirect thermal contact with the at least one solar cell and with an external cooling device.
  • the cooling medium contains or consists of a phase transition material.
  • a phase transition material is understood as meaning a material in which a phase transition is utilized or takes place during operation of the device.
  • phase transition is preferably understood the phase transition from the liquid to the solid phase and vice versa. But also a phase transition from the liquid to the gaseous phase and vice versa as well as a phase transition from the solid to the gaseous phase and vice versa can be understood by the phase transition.
  • a cooling medium containing a phase change material results in a high heat capacity of the cooling medium.
  • Ums since the phase transition of the phase change material can be stored a lot of heat.
  • the phase transition material By the phase transition material, a high amount of heat can be transported from the at least one solar cell to the external cooling device during the flow of the cooling medium.
  • a reliable cooling of the at least one solar cell is thus made possible over a long time and at high ambient temperatures or with much supplied heat to at least one solar cell by light irradiation.
  • the cooling medium consists of a cooling fluid and the phase transition material.
  • the cooling fluid allows flow even with a solid phase of the phase change material.
  • the phase transition material may contain paraffin or salt, in particular sodium acetate trihydrate, as at least one component or consist entirely of this component. These materials have a high heat capacity.
  • the phase change material may have a phase change temperature in the range between +20 and +70 degrees Celsius.
  • the cooling device is still able to deliver heat stored in the phase transition material to the environment of the cooling device, at ambient temperatures below the phase change temperature.
  • a solar cell temperature without solar radiation is in or below this range. Cooling the solar cells in sunlight leads to an increase in efficiency. Cooling of the solar cells when exposed to sunlight at or near a temperature of the solar cells without solar radiation leads to optimum efficiency.
  • phase transition material should have a specific heat capacity of greater than two kilo joules (per kilogram per Kelvin) to achieve effective cooling of the solar cells.
  • the phase change material may be introduced in a closed circuit.
  • the back of the at least one solar cell is thermally connected to a heat storage and / or the cooling device and / or a heat exchanger.
  • transparent cooling medium cooling of the solar cells from the front side is also possible.
  • the circuit can be completed and it can be arranged in the circuit, a pump which is adapted to flow the cooling medium from the back of the at least one solar cell to the heat storage and / or to the cooling device and from the heat storage and / or from the cooling device to the back the solar cell in the closed circuit to flow back.
  • the formation of the circuit as a closed circuit prevents the cooling medium from being lost, i. the cooling medium consists at least in part of the phase change material.
  • At least one solar cell is brought into direct or indirect thermal contact with the cooling medium.
  • the cooling medium comprises a phase change material.
  • a mixture of the phase transition material and a cooling fluid can be used as a flowing cooling medium.
  • the cooling fluid flows in cooling the at least one solar cell at any time in the liquid state and the phase change material is in all its phases, in particular in the liquid and solid phases, in which cooling fluid is transported while flowing the cooling fluid. This prevents the phase transition material in the solid phase from blocking the refrigeration cycle and preventing the cooling medium from flowing.
  • a blocked cooling circuit prevents or hampers the cooling of the at least one solar cell.
  • Paraffin or a salt, in particular sodium acetate trihydrate, or salt mixtures can be used as the phase transition material.
  • the phase change material may be substantially present as a colloid in the cooling fluid.
  • cooling fluid water or an oil or an oil mixture can be used.
  • Water or oils as cooling fluid ensure that the cooling fluid is always liquid in the working temperature range of the solar cells.
  • the cooling medium can flow in a closed circuit from a rear side of the at least one solar cell to a heat store and / or to a cooling device and / or to a heat exchanger and from the heat store and / or from the cooling device and / or from the heat exchanger to the rear side the solar cell will flow.
  • a pump can move the cooling medium in the closed circuit so that it flows.
  • heat of the at least one solar cell can be stored in the phase change material, and the phase transition material can be converted from a first phase to a second phase.
  • the heat of the at least one solar cell which converts the phase change material from the first to the second phase, can be emitted to a heat storage and / or a cooling device and / or via a heat exchanger, whereby the phase change material from the second to the first phase converts becomes.
  • the phase transition from the first phase to the second phase of the phase change material may be at a temperature in the range of +20 to +70 degrees Celsius and / or the cooling fluid may flow in the entire temperature range of +20 to +70 degrees Celsius liquid.
  • FIG. 1 a sectional view of a solar module with solar cells and a device according to the invention for cooling the solar cell len with a cooling circuit.
  • the device 1 shown in the figure for cooling solar cells has electrically interconnected solar cells 2 on its upper side.
  • the interconnection 3 of the solar cell 2 is shown only in a basic form and corresponds to the electrical interconnection, as is customary for solar cells to construct a solar module 5.
  • the solar cells are embedded in an encapsulation 4, at least with their side surfaces.
  • the encapsulation 4 may be, inter alia, glass, curable cast polymers or films.
  • the solar cells 2 with their interconnection 3 and the encapsulation 4 form a commercially available solar module 5.
  • a container 7 On the back of the solar module 5, a container 7 is attached, which is preferably completely filled with phase change material 8.
  • the solar module 5 is arranged in a liquid-tight manner similar to a lid on the container 7.
  • the container 7 is part of a cooling circuit 6, which also has a Pump 10 and a cooling device 9 comprises.
  • a heat exchanger or a heat accumulator can be located in the cooling circuit 6.
  • the cooling circuit 6 is usually constructed of thermally insulated or non-insulated tubes, which connect the container 7 via the pump 10 with the cooling device 9 and the cooling device 9 to the container 7. It is formed on the tubes a closed circuit, which is completely filled with cooling medium 8.
  • the cooling medium 8 consists of a cooling fluid 8a and a phase change material 8b.
  • the cooling fluid 8a for example, water, oil or an oil mixture may be used.
  • the phase change material 8b is added to the cooling fluid 8a.
  • paraffin or a salt, especially sodium acetate trihydrate may be used as the phase change material 8b.
  • the cooling fluid 8a is selected such that it is liquid in the temperature range of operation of the solar cells 2.
  • the phase change material 8b is in solid form, when the phase change material 8b is formed as a colloid in the cooling fluid 8a, it is ensured that the cooling medium 8 is liquid.
  • the cooling medium 8, driven by the pump 10 can flow in the cooling circuit and transport the heat from the solar cells 2 to the cooling device 9.
  • the temperature range at which the solar cells 2 are operated and must be cooled is within
  • a temperature of the operation of the solar cells 2 is understood to mean a temperature above +20 degrees Celsius.
  • solar radiation acts on the solar cells 2 during the day, they are in an operating state and generate Electricity.
  • the solar radiation falls from the front to the solar cells and is absorbed in these. Part of the energy of the absorbed solar radiation causes in a known manner a charge carrier separation between positive and negative charge carriers and thus leads to a power generation.
  • the cooling fluid 8a With a short operating time, the cooling fluid 8a with its low heat capacity is able to absorb the waste heat of the solar cell 2 and to transport it to the cooling device 9, where the heat z. B. is discharged to the environment. At high solar radiation and a high ambient temperature and a long service life, especially in summer, the heat capacity of the cooling fluid 8a is not sufficient to absorb the total amount of heat accumulating on the solar cell 2.
  • the phase change material 8b provides for an increase in the heat capacity of the cooling medium 8.
  • the cooling medium 8 with phase transition material 8b can absorb the amount of heat accumulating on the solar cells 2 in addition to the amount of heat absorbed by the cooling fluid 8a.
  • the solar cells 2 can thereby be operated at higher solar radiation for a long time at a lower temperature with high efficiency.
  • By increasing the heat capacity of the cooling medium 8 with the aid of the phase change material 8b more heat can be removed from the solar cells 2 with respect to a cooling medium 8 without phase transition material 8b at the same flow rate of the cooling medium 8.
  • the phase change material 8b is heated.
  • phase change material 8b At a certain temperature, a phase transition takes place in the phase change material 8b. In this phase transition, a large amount of heat is transferred to change the phase and thus the structure of the phase change material 8b. As a result, a lot of heat is stored by the phase change material 8b, without leading to a significant increase in temperature.
  • the solar cells 2 can deliver so much heat without practically the temperature of the
  • Cooling medium 8 is increased. Only after a complete phase transformation of the phase change material 8b, a further increase in temperature takes place. With a low volume flow of the cooling medium 8, a high heat quantity flow is thereby achieved. A lot of heat can be transported from the solar cells 2 via the cooling circuit 6 to the cooling device 9.
  • the phase transition material 8b can deliver its stored heat quantity to the environment via the cooling medium 8, generally resulting in phase reversion of the phase transition material 8b.
  • the cooling medium 8 is cooled.
  • the cooling fluid 8a releases its small amount of absorbed heat via the cooling device 9 to the environment.
  • a phase transformation of the phase change material 8b takes place. In this case, the amount of heat which was stored near the solar cells 2 during the phase transformation is released again.
  • the cooled cooling medium 8 with the reconverted phase transition material 8b is then transported back to the solar module 5 via the cooling circuit 6.
  • the district run closed, and the cooling medium 8 can absorb heat of the solar cell 2 again.
  • phase transition material 8b is to be selected.
  • the temperature of the phase transformation of the phase change material 8b should be above the highest occurring ambient temperature of the cooling device 9 and furthermore be as low as possible so that the solar cells 2 are cooled in operation to a temperature close to the ambient temperature.
  • suitable phase transition materials 8b include paraffins, salt hydrates such as e.g. Glauber's salt or alum salt and sodium acetate trihydrate.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung (1) zum Kühlen von Solarzellen (2) mittels eines strömenden Kühlmediums (8). Das Kühlmedium (8) steht in direktem oder indirektem thermischen Kontakt mit wenigstens einer Solarzelle (2) und mit einer externen Kühleinrichtung (9). Das Kühlmedium (8) besteht zumindest teilweise aus einem Phasenübergangsmaterial (8b). Bei dem Verfahren kann über die hohe Wärmekapazität beim Übergang der Phase des Phasenübergangsmaterials (8b) Wärme der Solarzellen (2) besonders effektiv abtransportiert werden und so ihr Wirkungsgrad durch besonders effektives Kühlen erhöht werden.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum Kühlen von Solarzellen mittels eines strömenden Kühlmediums
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen von Solarzellen mittels eines strömenden Kühlmediums, wobei das Kühlmedium in direktem oder indirektem thermischen Kontakt mit wenigstens einer Solarzel- Ie und einer externen Kühleinrichtung steht, wie es beispielsweise aus der DE 20 2007 002 087 Ul bekannt ist.
Der Wirkungsgrad von Solar- bzw. Photovoltaik-Zellen, insbesondere von Silizium (Si) basierten Solarzellen, hängt unter anderem von der Temperatur ab. Mit steigender Temperatur nimmt bei kristallinen Si-Solarzellen der Wirkungsgrad um etwa 0,4 Prozent pro Grad Celsius ab, und bei amorphen Si- Solarzellen nimmt der Wirkungsgrad um etwa 0,1 Prozent pro Grad Celsius ab. Bei direkter Sonneneinstrahlung steigt die Temperatur einer Solarzelle erheblich über die Umgebungstemperatur an, z. B. um über 35 Grad Celsius. Dies ergibt bei kristallinen Si-Solarzellen eine berechnete Einbuße an Wirkungsgrad von etwa 14 Prozent und bei amorphen Si-Solarzellen eine Einbuße an Wirkungsgrad von etwa 3,5 Prozent.
Bei Betrachtung der Wirkungsgrade, z. B. 5 bis 7 Prozent bei großtechnisch hergestellten amorphen Si-Solarzellen und 16 bis 20 Prozent bei großtechnisch hergestellten kristallinen Si-Solarzellen, wird schnell klar, dass die Betriebstempera- tur einer Solarzelle einen wesentlichen Faktor hinsichtlich ihrer Ausbeute darstellt. Eine Reduzierung der Temperatur kann zu einer erheblichen Steigerung der Leistung der Solarzellen bei gleicher Lichteinstrahlung führen. In der Regel wird eine Reduzierung der Temperatur durch eine Installation der Solarzellen erreicht, bei der eine Luftströmung ermöglicht oder erzwungen wird und ein entsprechendes Solarzellen- Modul durch Luft gekühlt wird. Alternativ können auch aktive Kühlkreisläufe, z. B. durch eine Wasserkühlung, vorgesehen sein .
Ein Beispiel für eine aktive Kühlung von Solarzellen mit HiI- fe eines Kühlkreislaufes ist aus der DE 20 2007 002 087 Ul bekannt. In der DE-Ul ist ein System beschrieben, bei welchem auf der Rückseite einer Solarzelle eine Kühlflüssigkeit strömt und dabei Wärme der Solarzelle aufnimmt. Die Kühlflüssigkeit strömt durch eine Röhre eines Kühlkreislaufs zu einer Kühleinrichtung, z. B. einem Wasserbecken, wo die Kühlflüssigkeit die aufgenommene Wärme wieder abgibt. Die abgekühlte Kühlflüssigkeit strömt dann über eine Röhre zu der Rückseite der Solarzelle, wo der Kreislauf geschlossen wird und der Kühlvorgang sich wiederholt.
Sowohl bei einer Solareinrichtung mit Luftkühlung als auch bei Kühlung mit Hilfe einer Kühlflüssigkeit wie z. B. Wasser, kann die geringe Wärmekapazität des zur Kühlung verwendeten Mediums zu Problemen führen. Bei starker Sonneneinstrahlung im Betrieb der Solareinrichtung entsteht an den Solarzellen viel Abwärme, welche zur Erhöhung des Wirkungsgrades effektiv abtransportiert werden muss. Die geringe Wärmekapazität von Luft und Flüssigkeiten wie z. B. Wasser führt dazu, dass nicht die gesamte anfallende Abwärme der Solarzellen aufge- nommen und abtransportiert werden kann. Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums und ein damit hoher technischer Aufwand sind nur bedingt geeignet, die hohe Menge an Wärme abzutransportieren und die Solarzellen effektiv zu kühlen. Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit ist zudem mit einem hohen Energieaufwand zur Erzeugung der Strömung verbunden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen von Solarzellen anzugeben, bei denen eine effektive Kühlung mit vergleichsweise geringerem technischen Aufwand und geringerem Energieverbrauch gewährleistet ist. Insbesondere ist es Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, bei denen eine hohe Wärmekapazität des Kühlmediums zu einem effektiven Abtrans- port der an den Solarzellen bei Sonneneinstrahlung anfallenden Wärme führt. Damit soll bei einem einfachen Aufbau eine kostengünstige, effektive Kühlung der Solarzellen gewährleistet werden, womit ein hoher Wirkungsgrad der Solarzellen er- reicht wird.
Die angegebene Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung zum Kühlen von Solarzellen mittels eines strömenden Kühlmediums mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bezüglich des Verfah- rens mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens zum Kühlen von Solarzellen mittels eines strömenden Kühlmediums gehen aus den jeweils zugeordne- ten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche mit Merkmalen eines jeweils zugeordneten Unteranspruchs oder vorzugsweise auch mit Merkmalen mehrerer zugeordneter Unteransprüche kombiniert werden .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kühlen von wenigstens einer Solarzelle weist ein strömendes Kühlmedium auf. Das Kühlen der Vorrichtung erfolgt mittels des strömenden Kühlmediums, wobei das Kühlmedium in direktem oder indirektem ther- mischen Kontakt mit der wenigstens einen Solarzelle und mit einer externen Kühleinrichtung steht. Das Kühlmedium enthält ein Phasenübergangsmaterial oder besteht aus diesem. Dabei sei unter einem Phasenübergangsmaterial ein Material verstanden, bei dem im Betrieb der Vorrichtung ein Phasenübergang ausgenutzt wird bzw. stattfindet. Unter Phasenübergang wird bevorzugt der Phasenübergang von der flüssigen zur festen Phase und umgekehrt verstanden. Aber auch ein Phasenübergang von der flüssigen zur gasförmigen Phase und umgekehrt sowie ein Phasenübergang von der festen in die gasförmige Phase und umgekehrt kann unter dem Phasenübergang verstanden werden.
Der Einsatz eines Kühlmediums, welches ein Phasenübergangsmaterial enthält, ergibt eine hohe Wärmekapazität des Kühlmedi- ums, da beim Phasenübergang des Phasenübergangsmaterials sehr viel Wärmemenge gespeichert werden kann. Durch das Phasenübergangsmaterial kann beim Strömen des Kühlmediums eine hohe Wärmemenge von der wenigstens einen Solarzelle zu der exter- nen Kühleinrichtung transportiert werden. Ein höherer Wärmestrom bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums, verglichen mit einem Kühlmedium aus zum Beispiel reinem Wasser, wird so erreicht. Eine zuverlässige Kühlung der wenigstens einen Solarzelle wird so ermöglicht, über lange Zeit und bei hohen Umgebungstemperaturen oder bei viel zugeführter Wärme zur wenigstens einen Solarzelle durch Lichteinstrahlung.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht das Kühlmedium aus einem Kühl-Fluid und dem Phasen- übergansmaterial . Das Kühl-Fluid ermöglicht ein Strömen auch bei einer festen Phase des Phasenübergansmaterials .
Das Phasenübergansmaterial kann als wenigstens eine Komponen- te Paraffin oder Salz, insbesondere Natriumacetat-Trihydrat, enthalten oder vollständig aus dieser Komponente bestehen. Diese Materialien weisen eine hohe Wärmekapazität auf.
Das Phasenübergansmaterial kann eine Phasenwechseltemperatur im Bereich zwischen +20 und +70 Grad Celsius aufweisen. In diesem Temperaturbereich ist die Kühleinrichtung noch in der Lage, im Phasenübergansmaterial gespeicherte Wärme an die Umgebung der Kühleinrichtung abzugeben, bei Umgebungstemperaturen unterhalb der Phasenwechseltemperatur. Des Weiteren liegt eine Temperatur der Solarzellen ohne Sonneneinstrahlung in oder unterhalb dieses Bereichs. Ein Kühlen der Solarzellen bei Sonneneinstrahlung führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades. Ein Abkühlen der Solarzellen bei Sonneneinstrahlung auf bzw. nahe einer Temperatur der Solarzellen ohne Sonnen- einstrahlung führt zu einem optimalen Wirkungsgrad.
Je höher die spezifische Wärmekapazität des Phasenübergangsmaterials ist, desto mehr Wärme kann von den Solarzellen zu der Kühleinrichtung bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums transportiert werden. Die Kühlung der Solarzellen wird verbessert und der Wirkungsgrad erhöht sich. Das Phasen- übergansmaterial sollte eine spezifische Wärmekapazität von größer zwei Kilo-Joule (pro Kilogramm pro Kelvin) aufweisen, um eine effektive Kühlung der Solarzellen zu erreichen.
Das Phasenübergangsmaterial kann in einem geschlossenen Kreislauf eingebracht sein. Über den Kreislauf wird mit Hilfe des Kühlmediums die Rückseite der wenigstens einen Solarzelle thermisch mit einem Wärmespeicher und/oder der Kühleinrichtung und/oder einem Wärmetauscher verbunden. Bei transparentem Kühlmedium ist auch eine Kühlung der Solarzellen von der Vorderseite her möglich.
Der Kreislauf kann abgeschlossen sein und es kann eine Pumpe im Kreislauf angeordnet sein, welche ausgebildet ist, das Kühlmedium von der Rückseite der wenigstens einen Solarzelle zum Wärmespeicher und/oder zur Kühleinrichtung strömen zu lassen und von dem Wärmespeicher und/oder von der Kühleinrichtung zur Rückseite der Solarzelle in dem abgeschlossenen Kreislauf zurück strömen zu lassen. Durch die Ausbildung des Kreislaufes als abgeschlossenen Kreislauf wird verhindert, dass das Kühlmedium verloren geht, d.h. das Kühlmedium be- steht zumindest zu einem Teil aus dem Phasenübergangsmaterial.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kühlen von Solarzellen mittels eines strömenden Kühlmediums wird wenigstens eine Solarzelle mit dem Kühlmedium in direkten oder indirekten thermischen Kontakt gebracht. Vom Kühlmedium wird ein Phasenübergangsmaterial umfasst.
Als strömendes Kühlmedium kann ein Gemisch aus dem Phasen- Übergangsmaterial und einem Kühl-Fluid verwendet werden. Dabei strömt das Kühl-Fluid beim Kühlen der wenigstens einen Solarzelle zu jeder Zeit im flüssigen Zustand und das Phasenübergangsmaterial wird in allen seinen Phasen, insbesondere in der flüssigen und der festen Phase, in dem Kühl-Fluid beim Strömen des Kühl-Fluids transportiert. Dadurch wird verhindert, dass das Phasenübergangsmaterial in der festen Phase den Kühlkreislauf blockiert und ein Strömen des Kühlmediums verhindert. Ein blockierter Kühlkreislauf verhindert beziehungsweise behindert die Kühlung der wenigstens einen Solarzelle .
Als Phasenübergansmaterial kann Paraffin oder ein Salz, ins- besondere Natriumacetat-Trihydrat, bzw. Salzgemische verwendet werden. In fester Phase kann das Phasenübergangsmaterial im Wesentlichen als Kolloid in dem Kühl-Fluid vorliegen.
Als Kühl-Fluid kann Wasser oder ein Öl oder ein Ölgemisch verwendet werden. Wasser oder Öle als Kühl-Fluid stellen sicher, dass im Arbeitstemperaturbereich der Solarzellen das Kühl-Fluid immer flüssig vorliegt.
Das Kühlmedium kann in einem abgeschlossen Kreislauf von ei- ner Rückseite der wenigstens einen Solarzelle zu einem Wärmespeicher und/oder zu einer Kühleinrichtung und/oder zu einem Wärmetauscher strömen und von dem Wärmespeicher und/oder von der Kühleinrichtung und/oder von dem Wärmetauscher zur Rückseite der Solarzelle strömen. Eine Pumpe kann das Kühlmedium in dem abgeschlossenen Kreislauf bewegen, so dass es strömt.
Bei Sonneneinstrahlung auf die wenigstens eine Solarzelle kann Wärme der wenigstens einen Solarzelle in dem Phasenübergangsmaterial gespeichert werden und das Phasenübergangsmate- rial kann dabei von einer ersten Phase in eine zweite Phase umgewandelt werden. Die Wärme der wenigstens einen Solarzelle, welche das Phasenübergangsmaterial von der ersten in die zweite Phase umwandelt, kann an einen Wärmespeicher und/oder eine Kühleinrichtung und/oder über einen Wärmetauscher abge- geben werden, wodurch das Phasenübergangsmaterial von der zweiten in die erste Phase umwandelt wird. Der Phasenübergang von der ersten Phase zu der zweiten Phase des Phasenübergangsmaterials kann bei einer Temperatur im Bereich von +20 bis +70 Grad Celsius erfolgen und/oder das Kühl-Fluid kann in dem gesamten Temperaturbereich von +20 bis +70 Grad Celsius flüssig strömen.
Die mit dem Verfahren verbundenen Vorteile sind analog den Vorteilen, welche zuvor im Bezug auf die Vorrichtung beschrieben wurden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der einzigen Figur näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Die einzige Figur zeigt
eine Schnittdarstellung eines Solarmoduls mit Solarzellen und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kühlen der Solarzel- len mit einem Kühlkreislauf.
Die in der Figur gezeigte Vorrichtung 1 zum Kühlen von Solarzellen weist auf ihrer Oberseite miteinander elektrisch verschaltete Solarzellen 2 auf. Die Verschaltung 3 der Solarzel- len 2 ist nur in prinzipieller Form dargestellt und entspricht der elektrischen Verschaltung, wie sie für Solarzellen zum Aufbau eines Solarmoduls 5 üblich ist. Die Solarzellen sind in einer Verkapselung 4 eingebettet, zumindest mit ihren Seitenflächen. Als Verkapselung 4 können unter anderem Glas, aushärtbare Gieß-Polymere oder Folien dienen. Die Solarzellen 2 mit ihrer Verschaltung 3 und der Verkapselung 4 bilden ein handelsübliches Solarmodul 5.
Auf der Rückseite des Solarmoduls 5 ist ein Behältnis 7 ange- bracht, welche bevorzugt vollständig mit Phasenübergangsmaterial 8 befüllt ist. Das Solarmodul 5 ist analog einem Deckel auf dem Behältnis 7 flüssigkeitsdicht angeordnet. Das Behältnis 7 ist Teil eines Kühlkreislaufs 6, welcher weiterhin eine Pumpe 10 und eine Kühleinrichtung 9 umfasst. Statt oder mit der Kühleinrichtung 9 können sich im Kühlkreislauf 6 auch ein Wärmetauscher oder ein Wärmespeicher befinden.
Der Kühlkreislauf 6 ist in der Regel aus wärmeisolierten oder nicht isolierten Röhren aufgebaut, welche das Behältnis 7 über die Pumpe 10 mit der Kühleinrichtung 9 und die Kühleinrichtung 9 mit dem Behältnis 7 verbinden. Es wird über die Röhren ein abgeschlossener Kreislauf ausgebildet, welcher vollständig mit Kühlmedium 8 befüllt ist.
Das Kühlmedium 8 besteht aus einem Kühl-Fluid 8a und aus einem Phasenübergangsmaterial 8b. Als Kühl-Fluid 8a kann zum Beispiel Wasser, Öl oder ein Öl-Gemisch verwendet werden. Das Phasenübergangsmaterial 8b ist dem Kühl-Fluid 8a zugegeben. Als Phasenübergangsmaterial 8b kann zum Beispiel Paraffin oder ein Salz, insbesondere Natriumacetat-Trihydrat, verwendet werden. Das Kühl-Fluid 8a ist so gewählt, dass es im Temperaturbereich des Betriebs der Solarzellen 2 flüssig vor- liegt. Wenn das Phasenübergangsmaterial 8b in fester Form vorliegt, so ist bei Ausbildung des Phasenübergangsmaterials 8b als Kolloid im Kühl-Fluid 8a sichergestellt, dass das Kühlmedium 8 flüssig vorliegt. Dadurch kann zu jedem Zeitpunkt des Betriebs der Solarzellen 2 das Kühlmedium 8, über die Pumpe 10 angetrieben, im Kühlkreislauf strömen und die Wärme von den Solarzellen 2 zu der Kühleinrichtung 9 transportieren .
In der Regel liegt der Temperaturbereich, bei welchem die So- larzellen 2 betrieben werden und gekühlt werden müssen, im
Bereich von +20 bis +70 Grad Celsius. Bei tieferen Temperaturen, zum Beispiel im Winter, ist eine Kühlung der Solarzellen 2 nicht notwendig. Deshalb wird im Weiteren unter einer Temperatur des Betriebs der Solarzellen 2 eine Temperatur ober- halb von +20 Grad Celsius verstanden.
Wirkt am Tag Sonnenstrahlung auf die Solarzellen 2 ein, so befinden sich diese in einem Betriebszustand und erzeugen Strom. Die Sonnenstrahlung fällt von der Vorderseite auf die Solarzellen und wird in diesen absorbiert. Ein Teil der Energie der absorbierten Sonnenstrahlung bewirkt in bekannter Weise eine Ladungsträgertrennung zwischen positiven und nega- tiven Ladungsträgern und führt so zu einer Stromerzeugung.
Der Rest der absorbierten Sonnenstrahlung wird in Wärme umgewandelt. Diese Wärme würde ohne Kühlung der Solarzellen 2 zu einer Erhöhung der Temperatur der Solarzellen 2 führen, z. B. von einer Umgebungstemperatur von 20 bis 30 Grad Celsius auf bis zu 70 bis 80 Grad Celsius nach einigen Stunden Betrieb bei Sonneneinstrahlung.
Werden die Solarzellen 2 gekühlt, so kann eine konstante Betriebstemperatur mit einem hohen Wirkungsgrad über die gesam- te Betriebsdauer erreicht werden. Bei einer kurzen Betriebsdauer ist das Kühl-Fluid 8a mit seiner geringen Wärmekapazität in der Lage, die Abwärme der Solarzellen 2 aufzunehmen und zu der Kühleinrichtung 9 zu transportieren, wo die Wärme z. B. an die Umgebung abgegeben wird. Bei einer hohen Sonnen- einstrahlung und einer hohen Umgebungstemperatur sowie einer langen Betriebsdauer, vor allem im Sommer, ist die Wärmekapazität des Kühl-Fluids 8a nicht ausreichend, um die gesamte an den Solarzellen 2 anfallende Wärmemenge aufzunehmen.
Bei diesen Bedingungen sorgt das Phasenübergangsmaterial 8b für eine Erhöhung der Wärmekapazität des Kühlmediums 8. Zumindest über weite Temperaturbereiche kann das Kühlmedium 8 mit Phasenübergangsmaterial 8b die an den Solarzellen 2 anfallende Wärmemenge zusätzlich zu der vom Kühl-Fluid 8a auf- genommenen Wärmemenge aufnehmen. Die Solarzellen 2 können dadurch bei höherer Sonneneinstrahlung über längere Zeit bei niedrigerer Temperatur mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden. Durch die Erhöhung der Wärmekapazität des Kühlmediums 8 mit Hilfe des Phasenübergangsmaterials 8b kann bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums 8 mehr Wärmemenge abtransportiert werden von den Solarzellen 2 gegenüber einem Kühlmedium 8 ohne Phasenübergangsmaterial 8b. Durch die Aufnahme der Abwärme der Solarzellen 2 über das Kühlmedium 8 wird das Phasenübergangsmaterial 8b erwärmt. Bei einer bestimmten Temperatur findet im Phasenübergangsmaterial 8b ein Phasenübergang statt. Bei diesem Phasenübergang wird eine große Wärmemenge umgesetzt bzw. aufgenommen, um die Phase und somit die Struktur des Phasenübergangsmaterials 8b zu ändern. Dadurch wird viel Wärmemenge durch das Phasenübergangsmaterial 8b gespeichert, ohne zu einer wesentlichen Temperaturerhöhung zu führen. Die Solarzellen 2 können so viel Wärmemenge abgeben, ohne dass praktisch die Temperatur des
Kühlmediums 8 erhöht wird. Erst nach einer vollständigen Phasenumwandlung des Phasenübergangsmaterials 8b findet eine weitere Temperaturerhöhung statt. Bei geringem Volumenstrom des Kühlmediums 8 wird dadurch ein hoher Wärmemengenstrom er- reicht. Viel Wärmemenge kann von den Solarzellen 2 über den Kühlkreislauf 6 zur Kühleinrichtung 9 transportiert werden.
An der Kühleinrichtung 9 kann das Phasenübergangsmaterial 8b über das Kühlmedium 8 seine gespeicherte Wärmemenge an die Umgebung abgeben, wobei im Allgemeinen eine Phasenrückwand- lung des Phasenübergangsmaterials 8b erfolgt. Dabei wird die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Solarzellen 2 bei Sonneneinstrahlung und der Temperatur z. B. der Umgebungsluft der Kühleinrichtung 9 ausgenutzt. Bei einer niedri- geren Temperatur der Kühleinrichtung 9 gegenüber der Temperatur der Solarzellen 2 wird das Kühlmedium 8 abgekühlt. Das Kühl-Fluid 8a gibt seine geringe aufgenommene Wärmemenge über die Kühleinrichtung 9 an die Umgebung ab. Bei einer Temperatur der Umgebung, welche unterhalb der Temperatur der Phasen- Umwandlung des Phasenübergangsmaterials 8b liegt, findet eine Phasenumwandlung des Phasenübergangsmaterials 8b statt. Dabei wird die Wärmemenge, welche bei der Phasenumwandlung nahe den Solarzellen 2 gespeichert wurde, wieder abgegeben.
Das abgekühlte Kühlmedium 8 mit dem zurück gewandelten Phasenübergangsmaterial 8b wird dann über den Kühlkreislauf 6 wieder zum Solarmodul 5 transportiert. Somit ist der Kreis- lauf geschlossen, und das Kühlmedium 8 kann wieder Wärme der Solarzellen 2 aufnehmen.
Entsprechend der anfallenden Wärmemenge und der damit verbun- denen Temperaturerhöhung der Solarzellen 2 im Betrieb bei Sonneneinstrahlung und entsprechend der Umgebungstemperatur der Kühleinrichtung 9 sowie der Leistung der Pumpe 10 ist das optimale Phasenübergangsmaterial 8b auszuwählen. Die Temperatur der Phasenumwandlung des Phasenübergangsmaterials 8b sollte oberhalb der höchsten auftretenden Umgebungstemperatur der Kühleinrichtung 9 liegen, und im Weiteren so niedrig wie möglich sein, damit die Solarzellen 2 im Betrieb auf eine Temperatur nahe der Umgebungstemperatur abgekühlt werden. Beispiele von entsprechend geeigneten Phasenübergangsmateria- lien 8b umfassen Paraffine, Salzhydrate wie z. B. Glaubersalz oder Alaunsalz und Natriumacetat-Trihydrat .

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Kühlen von wenigstens einer Solarzelle (2) mittels eines strömenden Kühlmediums (8), wobei das Kühlmedi- um (8) in direktem oder indirektem thermischen Kontakt mit der wenigstens einen Solarzelle (2) und einer externen Kühleinrichtung (9) steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (8) ein Phasenübergangsmaterial (8b) zumindest enthält.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (8) aus einem Kühl-Fluid (8a) und dem Phasen- übergansmaterial (8b) besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenübergansmaterial (8b) als wenigstens eine Komponente Paraffin oder Salz, insbesondere Natriumacetat- Trihydrat, enthält oder vollständig aus dieser Komponente besteht.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenübergansmaterial (8b) eine Phasenwechseltemperatur im Bereich zwischen +20 und +70 Grad Celsius aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenübergansmaterial (8b) eine spezifische Wärmekapazität von größer zwei Kilo-Joule pro Kilogramm pro Kelvin aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenübergangsmaterial (8b) in einem geschlossenen Kreislauf (6) eingebracht ist, wobei über den Kreislauf (6) mit Hilfe des Kühlmediums (8) die Rückseite der wenigstens einen Solarzelle (2) thermisch mit einem Wärmespeicher und/oder der Kühleinrichtung und/oder einem Wärmetauscher (9) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf (6) abgeschlossen ist und eine Pumpe (10) im Kreislauf (6) angeordnet ist, welche ausgebildet ist, das Kühlmedium (8) von der Rückseite der wenigstens einen Solar- zelle (2) zum Wärmespeicher und/oder zur Kühleinrichtung und/oder zum Wärmetauscher (9) strömen zu lassen und von dem Wärmespeicher und/oder von der Kühleinrichtung und/oder von dem Wärmetauscher (9) zur Rückseite der Solarzelle (2) in dem abgeschlossenen Kreislauf (6) zurück strömen zu lassen.
8. Verfahren zum Kühlen von Solarzellen mittels eines strömenden Kühlmediums (8), bei welchem wenigstens eine Solarzelle (2) mit dem Kühlmedium (8) in direkten oder indirekten thermischen Kontakt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest für einen Teil des Kühlmediums (8) ein Phasenübergangsmaterial (8b) vorgesehen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als strömendes Kühlmedium (8) ein Gemisch aus dem Phasenüber- gangsmaterial (8b) und einem Kühl-Fluid (8a) vorgesehen wird, wobei das Kühl-Fluid (8a) beim Kühlen der wenigstens einen Solarzelle (2) flüssig strömt und das Phasenübergangsmaterial (8b) in allen seinen Phasen, insbesondere in der flüssigen und der festen Phase, in dem Kühl-Fluid (8) beim Strömen des Kühl-Fluids (8) transportiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Phasenübergansmaterial (8b) Paraffin oder wenigstens ein Salz, insbesondere Natriumacetat-Trihydrat, vorgesehen wird, und dieses in fester Phase im Wesentlichen als Kolloid in dem Kühl-Fluid (8) vorliegt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühl-Fluid (8a) Wasser oder ein Öl oder ein Ölgemisch vorgesehen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (8) in einem abgeschlossen Kreislauf (6) von einer Rückseite der wenigstens einen Solarzelle (2) zu einem Wärmespeicher und/oder zu einer Kühleinrichtung und/oder zu einem Wärmetauscher (9) strömt und von dem Wärmespeicher und/oder von der Kühleinrichtung und/oder von dem Wärmetauscher (9) zur Rückseite der Solarzelle (2) strömt .
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe (10) das Kühlmedium (8) in dem abgeschlossenen Kreislauf (6) bewegt, so dass es strömt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei Sonneneinstrahlung auf die wenigstens eine Solarzelle (2) Wärme der wenigstens einen Solarzelle (2) in dem Phasenübergangsmaterial (8b) gespeichert wird und das Phasenübergangsmaterial (8b) dabei von einer ersten Phase in eine zweite Phase umgewandelt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme der wenigstens einen Solarzelle (2), welche das Phasenübergangsmaterial (8b) von der ersten in die zweite Phase umwandelt, an einen Wärmespeicher und/oder eine Kühleinrichtung und/oder einen Wärmetauscher (9) abgegeben wird, wodurch das Phasenübergangsmaterial (8b) von der zweiten in die erste Phase umgewandelt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenübergang von der ersten Phase zu der zweiten Phase des Phasenübergangsmaterials (8b) bei einer Temperatur im Bereich von +20 bis +70 Grad Celsius erfolgt und/oder das Kühl-Fluid in dem gesamten Temperaturbereich von +20 bis +70 Grad Celsius flüssig strömt.
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