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DE10006277A1 - Efficiency increasing solar cell cooling system has integrated heat recovery; cooling liquid or gas acquires thermal energy and transports it to heat exchanger system supplying external load - Google Patents

Efficiency increasing solar cell cooling system has integrated heat recovery; cooling liquid or gas acquires thermal energy and transports it to heat exchanger system supplying external load

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Publication number
DE10006277A1
DE10006277A1 DE2000106277 DE10006277A DE10006277A1 DE 10006277 A1 DE10006277 A1 DE 10006277A1 DE 2000106277 DE2000106277 DE 2000106277 DE 10006277 A DE10006277 A DE 10006277A DE 10006277 A1 DE10006277 A1 DE 10006277A1
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DE
Germany
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solar cell
heat
cooling system
solar
heat exchanger
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE2000106277
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German (de)
Inventor
Christopher Kley
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02SGENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/40Thermal components
    • H02S40/44Means to utilise heat energy, e.g. hybrid systems producing warm water and electricity at the same time
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/60Arrangements for cooling, heating, ventilating or compensating for temperature fluctuations
    • H10F77/63Arrangements 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
    • H10F77/68Arrangements 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
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/60Thermal-PV hybrids

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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

The solar cell cooling system is arranged on the reverse side of the solar cells and consists of a heat conducting material that can pass a liquid flow. The cooling liquid or gas acquires the thermal energy and transports it to a heat exchanger system that provides the generated thermal energy to an external load at the desired temperature. Cooling liquid passes through heat conducting surfaces on which the cells are formed during manufacture.

Description

Anwendungsgebietfield of use

Die Erfindung betrifft ein System entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a system according to the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad von Solarzellensystemen stark von der Solarzellentemperatur abhängt. In einer ersten Näherung wird etwa 10 bis 15% der auf die Solarzelle einwirkenden Sonnenenergie in Strom umgewandelt, wobei der restliche Teil von ca. 85 bis 90% der Strahlungsenergie in Wärme umgesetzt wird. Hierbei heizt letztere die Solarzelle sowie das Gehäuse der Solarzelle stark auf. Dies ist durch vorliegende Kennlinen von Solarzellen (Herstellerdaten) belegt.It is known that the efficiency of solar cell systems is very different from that Solar cell temperature depends. In a first approximation, about 10 to 15% of that on the Solar cell impacting solar energy is converted into electricity, with the remaining part 85 to 90% of the radiation energy is converted into heat. The latter heats up the solar cell and the housing of the solar cell strongly. This is through present Characteristic curves of solar cells (manufacturer data) documented.

Nach derzeit vorliegenden Erkenntnissen beträgt der Gradient der Leistungsabnahme von Solarzellen etwa -0,5%/K. Der Gradient der Leerlaufspannung einer Sollarzelle beträgt ebenfalls etwa -0,4%/K.According to the currently available knowledge, the gradient of the decrease in performance amounts to Solar cells about -0.5% / K. The gradient of the open circuit voltage of a target cell is also about -0.4% / K.

Nachteile des Standes der TechnikDisadvantages of the prior art

Bei heutigen Solarsystemen wird der thermisch bedingten Verschlechterung des Wirkungsgrades nicht konstruktiv entgegengewirkt. Damit wird die Effizienz der Solarzellen nicht gesteigert und die auftreffende Wärmeenergie auf die Solarzellen nicht genutzt.In today's solar systems, the thermal deterioration of the Efficiency not counteracted constructively. This increases the efficiency of the solar cells not increased and the incident thermal energy on the solar cells is not used.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Die Aufgabe der Erfindung ist es, mit möglichst geringem Energieaufwand die Solarzellentemperatur auf einem Temperaturbereich zu halten, der hinsichtlich des Solarzellenbetriebsarbeitspunktes einen gesteigerten Wirkungsgrad bewirkt und die abgeführte Wärmemengen aufbereitet und zur externen Verwendung bereitstellt. Damit werden Energien in Form von Strom (Solarstrom) und Wärme (abgeführte Strahlungswärme des Solarpanels) erzeugt und können externen Verbrauchern gleichzeitig bereitgestellt werden.The object of the invention is that with the least possible energy expenditure To keep solar cell temperature at a temperature range that is in terms of Solar cell operating point causes an increased efficiency and the removed heat quantities processed and made available for external use. In order to energies in the form of electricity (solar power) and heat (dissipated Radiant heat from the solar panel) is generated and can be used by external consumers at the same time to be provided.

Lösung der AufgabeSolution of the task a) Lösung bei vorhandenen handelsüblichen Solarzellensystemena) Solution for existing commercially available solar cell systems

Um den optimalen Betriebsarbeitspunkt einer Solarzelle oder eines Solarzellenarrays sicherzustellen, werden die Solarzellenelemente mit ihrer Rückseite (die von der Sonne abgewandte Seite) wärmeschlüssig auf ein Solarzellenkühlsystem aufgebracht. Das Solarzellenkühlsystem besteht hierbei aus einem wärmeleitfähigen Material, welches flüssigkeitsdurchströmt werden kann. Dis Kühlflüssigkeit (oder auch technische Gase) nimmt hierbei die Wärmeenergie auf und transportiert diese einem Wärmetauschersystem zu, welches die erzeugte Wärmemenge mit der gewünschten Temperatur einem externen Verbraucher bereitstellt.The optimal operating point of a solar cell or a solar cell array ensure the solar cell elements with their back (those from the sun opposite side) applied in a heat-tight manner to a solar cell cooling system. The Solar cell cooling system consists of a thermally conductive material, which can be flowed through. The coolant (or technical gases) absorbs the thermal energy and transports it to a heat exchanger system to which the amount of heat generated with the desired temperature is external Provides consumers.

Das Solarzellenkühlsystem ist thermisch isoliert, um die an der Solarzelle aufgenommene Wärmemenge nicht wirkungslos direkt an die Umgebungstemperatur abzugeben, sondern dem Wärmetauscher optimal zuzuführen.The solar cell cooling system is thermally insulated from the one absorbed on the solar cell Do not inject heat directly to the ambient temperature, but instead feed the heat exchanger optimally.

b) Lösung, bei der bereits beim Fertigungsprozeß der Solarpanel das System dieser Wärmerückgewinnung berücksichtigt wirdb) Solution in which the system of the solar panel is already in the manufacturing process Heat recovery is taken into account

Diese Lösung ist von der Funktion her identisch mit der unter a) genannten. Allerdings werden hierbei die Solarzellenelemente bereits während des Fertigungsprozesses auf wärmeleitende Grundflächen direkt oder mittels Verbindungsmitteln (z. B. Klebstoffen, mechanischem Druck, etc.) aufgebracht. Die wärmeleitenden Grundflächen werden von geeigneten Kühlmitteln durchströmt und die erzeugten Wärmemengen praktisch verlustfrei einem Wärmetauschersystem zugeführt.The function of this solution is identical to that mentioned under a). Indeed the solar cell elements are already on during the manufacturing process thermally conductive base surfaces directly or by means of connecting means (e.g. adhesives, mechanical pressure, etc.) applied. The heat-conducting base surfaces are from flows through suitable coolants and the heat generated is practically loss-free fed to a heat exchanger system.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

  • - Optimaler thermischer Arbeitspunkt der Solarzellen für optimale Zellenleistung- Optimal thermal operating point of the solar cells for optimal cell performance
  • - Effiziente Abführung überschüssiger Wärmemengen von Solarzellen an Wärmetauscher- Efficient dissipation of excess heat from solar cells to heat exchangers
  • - Konzentration abgeführter Wärmemengen im Wärmetauscher zur externen Nutzung- Concentration of dissipated heat in the heat exchanger for external use
  • - Gleichzeitige Verfügbarkeit von Strom und Wärme (Autonomie)- Simultaneous availability of electricity and heat (autonomy)
  • - Wärmerückführsystem kann gleichzeitig als Installationshilfsmittel dienen- The heat recovery system can also serve as an installation aid
  • - Einsparung fossiler Brennstoffe- Saving fossil fuels
  • - Zunehmende Wirtschaftlichkeit bei absehbar steigenden Energiekosten.- Increasing economy with foreseeable rising energy costs.
Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

Das wirkungsgradsteigernde Solarzellenkühlsystem mit integrierter von Wärmerückgewinnung und Aufbereitung der rückgewonnenen Wärmemengen zur externen Bereitstellung besteht im wesentlichen aus den nachgenannten Subsystemen:
The efficiency-increasing solar cell cooling system with integrated heat recovery and processing of the recovered heat for external supply essentially consists of the following subsystems:

  • 1. Solarzellenkühlsystem1. Solar cell cooling system
  • 2. integrierte Wärmerückgewinnung durch Wärmetauscher2. Integrated heat recovery through heat exchangers
  • 3. Prozeßsteuerung mit Energiesparfunktion3. Process control with energy saving function
1) Solarzellenkühlsystem1) Solar cell cooling system

Das Solarzellenkühlsystem hat die Aufgabe, die durch die Sonneneinstrahlung in die Solarzelle einfallende Wärmemenge weitestgehend abzuführen, um damit eine konstante Betriebstemperatur im optimalen Arbeitspunkt einer Solarzelle (z. B. +25°C) zu gewährleisten. Die abgeführte Wärmemenge wird hierbei im Gegensatz zu den heute üblichen Methoden (Kühlkörper) wieder möglichst effizient zurückgewonnen. Die zurückgewonnene Wärmeenergie wird hierbei einem Wärmetauscher zugeführt.The solar cell cooling system has the task of being exposed to the sun's rays To dissipate the amount of heat incident on the solar cell to a large extent constant operating temperature in the optimal operating point of a solar cell (e.g. + 25 ° C) to ensure. The amount of heat dissipated is in contrast to that of today usual methods (heat sink) recovered as efficiently as possible. The Recovered thermal energy is fed to a heat exchanger.

a) Lösung bei vorhandenen handelsüblichen Solarzellensystemena) Solution for existing commercially available solar cell systems

Um den optimalen Betriebsarbeitspunkt einer Solarzelle oder eines Solarzellenarrays sicherzustellen, werden die Solarzellenelemente mit ihrer Rückseite (die von der Sonne abgewandte Seite) wärmeschlüssig auf ein Solarzellenkühlsystem aufgebracht. Das Solarzellenkühlsystem besteht hierbei aus einem wärmeleitfähigen Material, welches flüssigkeitsdurchströmt werden kann. Die Kühlflüssigkeit (oder auch technische Gase) nimmt hierbei die Wärmeenergie auf und leitet diese einem Wärmetauschersystem zu, welches die erzeugte Wärmemenge mit der gewünschten Temperatur einem externen Verbraucher bereitstellt.The optimal operating point of a solar cell or a solar cell array ensure the solar cell elements with their back (those from the sun opposite side) applied in a heat-tight manner to a solar cell cooling system. The Solar cell cooling system consists of a thermally conductive material, which can be flowed through. The coolant (or technical gases) absorbs the thermal energy and transfers it to a heat exchanger system, which the amount of heat generated with the desired temperature to an external Provides consumers.

Das Solarzellenkühlsystem ist thermisch isoliert, um die an der Solarzelle aufgenommene Wärmemenge nicht wirkungslos direkt an die Umgebungstemperatur abzugeben, sondern dem Wärmetauscher optimal zuzuführen.The solar cell cooling system is thermally insulated from those on the solar cell Amount of heat absorbed is not ineffective directly at the ambient temperature to deliver, but optimally feed the heat exchanger.

Die praktische Ausführung besteht darin, daß metallische Platten auf der Rückseite des Solarpanels wärmeschlüssig mit den Solarzellen verbunden werden. Die metallischen Platten sind mit einem Rohrsystem für das Kühlmittel versehen. Die einzelnen Solarzellenkühlplatten sind thermisch untereinander durch die im Kühlmittelkreislauf geführte Kühlflüssigkeit (oder technische Gase) verbunden. Die Rohre/Schläuche des Kühlmittelkreislaufes sind thermisch isoliert. Damit wird gewährleistet, daß die am Solarpanel aufgenommene Wärmemenge praktisch verlustfrei dem Wärmetauscher zugeführt wird.The practical version is that metallic plates on the back of the Solar panels are connected to the solar cells in a heat-sealed manner. The metallic Plates are provided with a pipe system for the coolant. The single ones Solar cell cooling plates are thermally interconnected by those in the coolant circuit led coolant (or technical gases) connected. The pipes / hoses of the The coolant circuit is thermally insulated. This ensures that the on The amount of heat absorbed by the solar panel is practically loss-free in the heat exchanger is fed.

b) Lösung, bei der bereits beim Fertigungsprozeß der Solarpanel das System dieser Wärmerückgewinnung berücksichtigt wirdb) Solution in which the system of the solar panel is already in the manufacturing process Heat recovery is taken into account

Diese Lösung ist von der Funktion her prinzipiell identisch mit der unter a) genannten. Allerdings werden hierbei die Solarzellenelemente bereits während des Fertigungsprozesses auf wärmeleitende Grundflächen direkt oder mittels Verbindungsmitteln (z. B. Klebstoffen, mechanischem Druck, etc.) aufgebracht. Die wärmeleitenden Grundflächen werden von geeigneten Kühlmitteln durchströmt und die erzeugten Wärmemengen praktisch verlustfrei einem Wärmetauschersystem zugeführt. Die Neuerung besteht hierbei darin, daß die Solarzellenelemente direkt auf kühlbares Substrat mit direktem oder indirekten Kühlmittelanschluß aufgebracht werden. Damit kann dieses System direkt an den Wärmetauscher angeschlossen werden. Die Kaskadierbarkeit einzelner Solarpanel zu einer geforderten Systemgröße entsprechender Leistung ist damit wirtschaftlich zu realisieren.The function of this solution is basically identical to that mentioned under a). However, the solar cell elements are already during the Manufacturing process on thermally conductive surfaces directly or by means of Lanyards (e.g. adhesives, mechanical pressure, etc.) applied. The Suitable coolants flow through the heat-conducting base areas and the generated heat quantities practically loss-free fed to a heat exchanger system. The innovation here is that the solar cell elements directly coolable Substrate with direct or indirect coolant connection can be applied. In order to this system can be connected directly to the heat exchanger. The Cascading individual solar panels to a required system size corresponding performance can be realized economically.

2) Integrierte Wärmerückgewinnung durch Wärmetauscher2) Integrated heat recovery through heat exchangers

Das Kühlmedium durchfließt den Wärmetauscher. Mittels einer Ventilsteuerung ist zu verhindern, daß das heiße Brauchwasser zurück in den Kühlkreislauf der Solarkühlzellenplatten gelangt.The cooling medium flows through the heat exchanger. By means of a valve control is closed prevent the hot domestic water back into the cooling circuit of the Solar cell panels arrives.

Am Wärmetauscher befindet sich auch die Schnittstelle für den Warmwasserverbraucher.The interface for the is also located on the heat exchanger Hot water consumer.

Der Wärmetauscher ist entsprechend der Anlagengröße zu berechnen und thermisch zu isolieren. Letzteres gilt ebenfalls für den gesamten Kühlmittelkreislauf. The heat exchanger must be calculated according to the size of the system and thermally isolate. The latter also applies to the entire coolant circuit.  

3) Prozeßsteuerung mit Energiesparfunktion3) Process control with energy saving function

Das Solarzellenkühlsystem wird bei einer bestimmten Solarzellentemperatur (Überschreiten des Grenzwertes) automatisch in Betrieb genommen und führt damit zur optimalen Arbeitspunkttemperatur der Solarzelle. Über einen geschlossenen Kreislauf gelangt das Kühlmittel in die Solarkühlzellenplatten und nimmt dort die überschüssige Wärmemenge der Solarzelle auf um sie in den Wärmetauscher zu transportieren.The solar cell cooling system is at a certain solar cell temperature (Exceeding the limit) automatically put into operation and thus leads to optimal operating point temperature of the solar cell. Through a closed cycle the coolant gets into the solar cooling cell panels and takes the excess there Heat quantity of the solar cell in order to transport it into the heat exchanger.

Die Energiesparfunktion dient dazu, die Subsysteme des gesamten Solarsystems so zu steuern und zu regeln, damit der Gesamtwirkungsgrad der Anlage maximal bleibt. Hierzu gehört z. B. daß bei unzureichender Sonneneinstrahlungsintensität (Dämmerung, Nacht, etc.) Subsysteme oder angeschlossene Verbraucher zu einem bestimmten Zeitpunkt automatisch abgeschalten werden, um den "Eigenenergieverbrauch" der Solaranlage möglichst gering zu halten und damit den Gesamtwirkungsgrad der Solaranlage zu steigern.The energy saving function serves to close the subsystems of the entire solar system control and regulate so that the overall efficiency of the system remains at a maximum. This includes e.g. B. that with insufficient sunshine intensity (dusk, Night, etc.) Subsystems or connected consumers to a specific one Can be automatically switched off at the "own energy consumption" of the time To keep the solar system as low as possible and thus the overall efficiency of the Increase solar system.

Die Energiesparfunktion besteht aus den Regelschaltungen, Steuerventilen und Prozeßrechnern und schließt als verbindendes Element den Kühlmittelkreislauf mit ein.The energy saving function consists of the control circuits, control valves and Process computers and includes the coolant circuit as a connecting element.

Erforderliche neue Merkmale der ErfindungRequired new features of the invention

  • - Realisierung des optimalen thermischen Arbeitspunktes von Solarzellen für die optimale Zellenleistung- Realization of the optimal thermal working point of solar cells for the optimal cell performance
  • - Effiziente Abführung überschüssiger Wärmemengen von Solarzellen an Wärmetauscher (oder auch Wärmepumpe)- Efficient removal of excess heat from solar cells Heat exchanger (or heat pump)
  • - Konzentration abgeführter Wärmemengen im Wärmetauscher zur externen Nutzung- Concentration of dissipated heat in the heat exchanger to the external use
  • - Gleichzeitige Verfügbarkeit von Strom und Wärme (Autonomie)- Simultaneous availability of electricity and heat (autonomy)

Claims (5)

1. Wärmeschlüssiges Solarzellenkühlsystem auf der Rückseite der Solarzellen dadurch gekennzeichnet, daß das Solarzellenkühlsystem aus einem wärmeleitfähigen Material besteht, welches flüssigkeitsdurchströmt werden kann. Die Kühlflüssigkeit (oder auch technische Gase) nimmt hierbei die Wärmeenergie auf und transportiert diese einem Wärmetauschersystem zu, welches die erzeugte Wärmemenge mit der gewünschten Temperatur einem externen Verbraucher bereitstellt.1. Heat-binding solar cell cooling system on the back of the solar cells, characterized in that the solar cell cooling system consists of a thermally conductive material which can be flowed through by liquid. The cooling liquid (or technical gases) absorbs the heat energy and transports it to a heat exchanger system, which provides the heat quantity generated with the desired temperature to an external consumer. 2. Wärmeschlüssiges Solarzellenkühlsystem auf der Rückseite der Solarzellen dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellenelemente bereits während des Fertigungsprozesses auf wärmeleitende Grundflächen wärmeschlüssig direkt oder mittels Verbindungsmitteln (z. B. Klebstoffen, mechanischem Druck etc.) aufgebracht sind. Die wärmeleitenden Grundflächen werden von geeigneten Kühlmitteln durchströmt und die erzeugten Wärmemengen praktisch verlustfrei einem Wärmetauschersystem zugeführt.2. Heat-retaining solar cell cooling system on the back of the solar cells characterized in that the solar cell elements already during the Manufacturing process directly on heat-conducting surfaces or by means of connecting means (e.g. adhesives, mechanical pressure etc.) are upset. The heat-conducting base surfaces are made of suitable Coolants flow through and the heat generated is practically loss-free fed to a heat exchanger system. 3. Wärmeschlüssiges Solarzellenkühlsystem auf der Rückseite der Solarzellen dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium den Wärmetauscher direkt durchfließt, aber das heiße Brauchwasser nicht in den Kühlkreislauf der Solarkühlzellenplatten gelangt.3. Heat-retaining solar cell cooling system on the back of the solar cells characterized in that the cooling medium directly the heat exchanger flows through, but the hot domestic water does not enter the cooling circuit Solar cell panels arrives. 4. Wärmeschlüssiges Solarzellenkühlsystem auf der Rückseite der Solarzellen dadurch gekennzeichnet, daß das Solarzellenkühlsystem bei einer bestimmten Solarzellentemperatur (Über oder Unterschreiten der Grenzwerte) automatisch in Betrieb genommen oder abgeschalten wird und somit die optimale Arbeitspunkttemperatur der Solarzelle eingehalten wird.4. Heat-retaining solar cell cooling system on the back of the solar cells characterized in that the solar cell cooling system at a certain Solar cell temperature (above or below the limit values) automatically is put into operation or switched off and thus the optimum Operating point temperature of the solar cell is maintained. 5. Wärmeschlüssiges Solarzellenkühlsystem auf der Rückseite der Solarzellen dadurch gekennzeichnet, daß die Subsysteme des gesamten Solarsystem so gesteuert und geregelt werden, damit der Gesamtwirkungsgrad der Anlage maximal bleibt. Der Eigenverbrauch der Energiesparfunktion ist vernachläßigbar gering. Die Energiesparfunktion besteht aus den Regelschaltungen, Steuerventilen und Prozeßrechnern und schließt als verbindendes Element den Kühlmittelkreislauf mit ein. Entsprechend der Auslegung des Gesamtsystems sind hierzu auch alle weiteren meß- und regelungstechnischen Systeme hinzuzurechnen.5. Heat-tight solar cell cooling system on the back of the solar cells characterized in that the subsystems of the entire solar system so are controlled and regulated so that the overall efficiency of the system remains at a maximum. The self-consumption of the energy saving function is negligible low. The energy saving function consists of the control circuits, Control valves and process computers and closes the connecting element Coolant circuit with a. According to the design of the overall system are all other measurement and control systems to be added.
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