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