DE102016004853A1 - Photothermie - Modul - Google Patents

Abstract

Photothermie ist die Kombination einer Photovoltaik- mit einer Solarthermie-Anlage. Der Vorteil liegt darin, dass auf der gleichen Fläche aus der Sonnenenergie sowohl Strom als auch Wärme gewonnen werden kann.
1. Bezeichnung
Effizienzsteigerung im Bereich der Photothermie, in denen einzelne kompakte PhotoThermieZellen (PTHZ), die im wesentlichem aus einer Solarzelle und einem Kühlelement bestehen, parallel gekühlt werden.
2. Kurzfassung
2.1. Technisches Problem der Erfindung
Aufgrund der Halbleitereigenschaft der kristallinen Solarzellen sinkt die Leistungsabgabe mit steigender Temperatur. Die Idee die Solarzellen zu kühlen, um diesen Verlust zu minimieren, ist nicht neu, wird auch schon angeboten. Allerdings werden hier meist Kühlschlangen hinter dem Kunststoffträger auf dem die Solarzellen montiert sind, aufgebracht. Die Kühlwirkung ist bei solchen Verfahren in mehreren Punkten mangelhaft.
2.2. Lösung des Problems
Das neue Verfahren ermöglicht es, den thermischen Widerstand zwischen der Solarzelle und dem Kühlmedium [4] wesentlich zu verringern, die Fläche der Solarzelle durch konstruktive Maßnahmen auf gleichem Temperaturniveau zu halten und die Kühlschlangen durch ein paralleles Kühlverfahren (2) zu ersetzen.
Durch die so erreichbare homogene Gesamtflächentemperatur wird das Kühlmittel effizient eingesetzt und hebt dadurch den Wirkungsgrad der Anlage.
Durch die Effizienzsteigerung müssen Sicherheitsmaßnahmen gegen Überhitzung eingesetzt werden, die bei Abschaltung des Stroms oder durch einen Defekt auftreten würde, weil dann die Sonnenwärme nicht mehr abgeführt werden kann.
Eine elektronische Überwachung misst deshalb die Temperatur und Fehlströme jeder PTHZ, schließt im Störungsfall ein Rollo um alle Solarzellen von der Sonne abzuschatten und gibt eine Störungsmeldung nach außen.
2.3. Anwendungsgebiete
Alle hier geschilderten Maßnahmen sind relativ kompromisslose Ansätze, sie werden den dafür nötigen Fertigungsaufwand übergeordnet, mit dem Ziel, diese in Nischenbereichen durchzusetzen. Zum Beispiel:
– Dort, wo begrenzt Fläche für die Aufstellung von Solarfeldern zur Verfügung steht und sowohl Strom, als auch Wärme benötigt wird
– Speziell in sehr heißen Gegenden in See, Fluss oder Küstennähe, in der Industrie und auf Schiffen wo Kühlwasser kostengünstig zur Verfügung steht
– In privaten Immobilien, speziell wo Eisspeicher vorhanden sind, die im Winter die Wärme aus dem Boden ziehen und infolge dessen viel Eis während des Winters erzeugt wird und im Sommer für Kühlungszwecke genutzt werden kann

Description

• Kompensation des Temperaturgefälles (Fig. 1)
• Jedes Kühlelement besitzt im Normalfall an der Kühlmitteleingangsseite eine tiefere Temperatur als an der Kühlmittelausgangsseite. Wenn nichts dagegen getan wird, würde sich dieses Wärmegefälle auf die Solarzelle übertragen und dadurch einen negativen Einfluss erzeugen.
• In jeder einzelnen PhotoThermieZelle (PTHZ) wird deshalb durch konstruktive Maßnahmen dafür gesorgt, dass trotz des Temperaturunterschieds zwischen der Kühlmittel-Eingangs- und Ausgangsseite die Solarzelle auf gleichem Temperaturniveau gehalten wird.
• Durch die gleichmäßige Wärmeverteilung wird der Kühlmitteleinsatz reduziert und parasitäre Querstromverluste auf der PTHZ vermieden.
• Parallele Kühlung (Fig. 2)
• Dadurch, dass das Kühlmedium an alle PhotoThermieZellen (PTHZ) parallel zugeführt wird, wird prinzipiell eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Fläche des PhotoThermieModuls (PTHM) erreicht.
• Ein weiterer großer Vorteil der parallelen Kühlung ergibt sich gegenüber der Kühlschlangenmethode dadurch, dass die Pumpleistung für den Kältemittelumlauf reduziert und damit eine hohe Effizienzsteigerung erreicht wird.
• Stand der Technik
• Aufgrund der Halbleitereigenschaft der kristallinen Solarzellen sinkt die Spannung mit steigender Temperatur. Dadurch sinkt in Folge auch die Leistung. Dieser Verlust liegt bei ca. 0,5%/°C. Bei einer realistischen Temperaturerhöhung von z. B. 30°C auf 90°C, wäre dies ein Wirkungsgradverlust von ca. 30%.
• Die Idee, die Solarzellen zu kühlen, um diesen Verlust zu verhindern, ist nicht neu, wird auch angeboten. Allerdings werden hier meist Kühlschlangen hinter dem Kunststoffträger auf dem die Solarzellen montiert sind, aufgebracht. Die Kühlwirkung ist bei solchen Verfahren in drei Punkten mangelhaft,
• a) durch den hohen thermischen Widerstand des Kunststoffträgers, auf dem die Solarzellen an der Vorderseite aufgebracht sind, kann die Wärme nicht optimal an die Rückseite zu den Kühlschlangen abgeführt werden.
• b) Durch die Anbringung der Kühlschlangen, meist in Mäanderform, kann grundsätzlich eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die Gesamtfläche der Photo-Thermie-Anlage, welches die Grundlage einer optimalen Leistungsabgabe wäre, nicht erreicht werden, da die Eintrittstemperatur an der Kühlschlange grundsätzlich immer tiefer ist als die Austrittstemperatur.
• c) Die Kühl-Effizienz sinkt bei steigender Fläche, da die größer werdende abzuführende Wärmemenge durch dieses serielle Kühlschlangen-Konzept nicht mehr mit einem vernünftigen Energieaufwand bewältigt werden kann.
• Verbesserung
• Gegenüber den oben genannten Nachteilen wird hier ein relativ kompromissloser Vorschlag zur Vermeidung eines thermischen Verlusts von Solarzellen vorgeschlagen, dahingehend, dass
• a) der thermische Widerstand zwischen der Solarzelle (1) und dem Kühlmedium (7) auf ein Minimum der praktischen Möglichkeiten verringert wird,
• b) durch die parallele Kühlung des gesamten Photo-Thermie-Moduls (PTHM) (2) und durch konstruktive Maßnahmen in jeder einzelnen Photo-Thermie-Zelle (PTHZ) (1) eine gleichmäßige Temperaturverteilung sowohl über jede Solarzelle (1) als auch über das gesamte PTHM erreicht wird. Durch die homogene Gesamtflächentemperatur wird das Kühlmittel effizient eingesetzt und hebt dadurch den Wirkungsgrad der Anlage. Ein zweiter großer Vorteil der parallelen Kühlung liegt darin, dass hier mit wesentlich weniger Energieaufwand eine größere Wärmemenge abgeführt werden kann und damit ebenfalls der Gesamtwirkungsgrad der Anlage gesteigert wird.
• Jede einzelne Solarzelle (1) wird mit einer Kühlplatte (4), einer Kühlflüssigkeitshaube (9) und diversen konstruktiven Elementen zu einem kompakten Photo-Thermie-Zelle (PTHZ) zusammengefügt. Alle Photo-Thermie-Zellen (PTHZ) werden über einen Kühlmittelverteiler (17) zu einem Photo-Thermie-Modul (PTHM) verschraubt.
• Zu a)
• Dazu wird die Solarzelle (1) mit einem wärme- und stromleitfähigen Kleber (2) z. B. einer Kupferpaste auf die Kühlplatte aus Aluminium (4), in Ausnahmefällen eventuell auch eine Kupferplatte, aufgebracht. Dadurch wird der Wärme- und Stromleitwert auf ein Minimum reduziert.
• Durch dieses Verfahren wird diese Trägerplatte zum negativen Anschlusspunkt. Der positive Pol, der auf der Trägerplatte isoliert vorhanden ist, wird mit den Strombars auf der Vorderseite der Solarzelle (1) herkömmlich verlötet und an Kontaktstützpunkte verschaltet.
• Dadurch entsteht ein sehr kompakte Photo-Thermie-Zelle (PTHZ), das von Jedermann zu einem Gesamtmodul, auch zu individuellen Formaten, montiert werden kann.
• Elektrische Isolation zum Kühlmedium:
• Dadurch, dass das Kühlmedium (7) einen nicht vernachlässigbaren elektrischen Leitwert annehmen kann, muss die Kühlplatte (4) auf der Rückseite (10), wo das Kühlmedium die Wärme entnimmt, elektrisch isoliert werden, ohne dass der thermische Leitwert darunter leidet. Infrage kommen spezielle Eloxierschichten oder Speziallacke mit einem niedrigen thermischen- aber hohen elektrischen Widerstand.
• Zu b)
• Um das Grundprinzip einer parallelen Kühlung durchführen zu können wird, wird auf jede PTHZ-Kühlplatte (4), eine Haube mit einer Flachdichtung verschraubt, durch die das Kühlmedium fließen kann. Jede dieser Hauben besitzt an beiden Seiten von hinten im 90° Winkel mehrere Ein- (5) und Auslässe (6), die entlang der PTHZ-Spalten mit Zu- und Ablaufrohren (2) verbunden werden und zusätzlich zur mechanischen Stabilität der Gesamtkonstruktion beitragen.
• Innerhalb des PTHM wird der Kühlmittelverteiler (17) auf den rückwärtigen Seiten der PTHZ verschraubt. Die Zu- und Ablaufrohe werden abwechselnd versetzt angeordnet, dies hat den Vorteil, dass die Anzahl der Rohre und zugleich die thermische Kurzschlussgefahr minimiert werden. Die beiden äußeren Versorgungsrohre können den halben Querschnitt gegenüber den inneren Versorgungsrohren besitzen, müssen aber nicht.
• Alle senkrechten Zulaufrohre werden oben mit dem Kältemittelzulaufrohr und die senkrechten Ablaufrohre werden unten mit einem Kältemittelablaufrohr verbunden (2).
• Da in den einzelnen PTHZ die Austrittstemperatur des Kühlmediums immer höher ist als die Eintrittstemperatur und gleichzeitig die Solarzellentemperatur über die gesamte Fläche möglichst gleich bleiben soll, damit:
• a) Das benötigte Kühlmittel möglichst effizient eingesetzt werden kann,
• b) kein parasitärer elektrischer Querstrom vom kalten- zum warmen Teil der Solarzelle (1) fließen kann, muss durch konstruktive Maßnahmen dafür gesorgt werden, dass zwischen dem Kühlmittelzulauf (5) und Kühlmittelablauf (6) einer PTHZ eine gegenläufige Kühlwirkung diesen natürlichen aber hier schädlichen Effekt kompensiert.
• Dazu stehen folgende Möglichkeiten zur Verfügung deren Gewichtung zueinander noch ermittelt werden muss:
• aa – Kontinuierliche Erhöhung der Oberfläche von der Rückseite der Kühlplatte (10) in Richtung Kühlmittelauslass (6), durch mehrere, über die Gesamtfläche verteilt, parallel verlaufende und kontinuierlich in Fließrichtung tiefer werdende Vertiefungen (11). Damit wird der thermische Widerstand in Fließrichtung kontinuierlich verringert.
• bb – Kontinuierliche Erhöhung des Kühlmittelquerschnitts (7) in Fließrichtung: Dadurch wird das Volumen (7) des Kühlmediums in Fließrichtung größer und kann dadurch eine größere Wärmemenge aufnehmen. Bedingt durch den geringer werdenden thermischen Widerstand der Kühlplatte (4) in Fließrichtung, durch die oben beschriebenen Maßnahmen, wird der Wärmefluss größer und kann durch den Strömungsadapter (8), der in Flussrichtung einen größer werdenden Kühlmittelquerschnitt erzeugt, kompensiert werden. Dadurch steigt die Ausgangstemperatur, im Vergleich zu einem linearen Kühlmittelquerschnittsverlauf, weniger stark an, was einer gleichmäßigen Wärmeverteilung an der Solarzelle (1) entgegenkommt.
• cc – Durch kontinuierlich größer werdende Bohrungen (14) im Strömungsadapter (8) kommt die noch kühle Kühlflüssigkeit durch den Kühlmittel-Bypass (13) unter dem Strömungsadapter (12) in Richtung Ausgang (6) mehr zur Wirkung als am Eingang (5) und wirkt dadurch dem natürlichen Wärmegefälle vom Ausgang zum Eingang ebenfalls entgegen. Die Eingangsseite (5) wird dadurch weniger gekühlt als die Ausgangsseite (6). Die Anzahl und die Größe der Öffnungen (14) im Strömungsadapter (8) müssen noch festgelegt werden und sind in der Zeichnung nur symbolisch zu werten.
• Zusätzliche Vorteile
• – Der Fokus kann je nach Bedarf entweder auf die Optimierung von Strom- oder Wärmeertrag gerichtet werden. Dadurch wird der Zielkonflikt gemildert, der dadurch entsteht, dass es unmöglich ist, gleichzeitig die erzielbare Wärme- und Strom-Menge zu maximieren. Wird durch eine Verringerung der Umwälzgeschwindigkeit die Warmwassertemperatur erhöht, sinkt der Stromwirkungsgrad, der Wärmertrag steigt, umgekehrt, wenn das Kühlwasser schneller fließt, sinkt die Zelltemperatur, der Stromertrag steigt, die erzielbare Warmwassertemperatur wird niedriger. Der Anwender oder die Steuerung kann entscheiden, ob mehr in Warmwasser oder in Strom investiert werden soll oder abwechselnd beides.
• – Einfache Handhabung durch die kompakte mechanische Bauweise der einzelnen Photo-Thermie-Zellen (PTHZ),
• – Effizientes Auftauen im Winter
• Betriebssicherheit
• Zur Steigerung der Betriebssicherheit sind folgende Maßnahmen vorgesehen:
• – Temperaturprüfung von jedem Solarmodul am Ein- und Auslass: Damit kann schon frühzeitig eine zukünftige Störung erkannt werden.
• – Abschattungsvorrichtung (Rollo) über der Solarfläche: Bei Stromausfall oder im Fehlerfall z. B. bei einem möglichen Defekt der Umwälzpumpe, wäre der Wärmeabtransport nicht mehr gesichert, die Wärme an jeder Solarzelle (1) würde unmittelbar steigen. In solch einem Fall würde automatisch das Rollo in die Abschattungsstellung gefahren werden. Bei längerer Abwesenheit (Urlaub etc.) kann die Abschattung von Hand aktiviert werden.
• – Kontinuierliche Überwachung eines Fehlstroms im Kühlmedium: Sollte die Isolationsschicht (10) zwischen Kühlmedium und der Trägerplatte (4) verletzt worden sein, so würde in diesem Fall das Rollo sofort geschlossen werden.
• Dazu muss die Eigensicherheit beachten werden:
  Das Rollo wird durch eine mechanisch gespeicherte Energie automatisch z. B. durch einen Federzug in die Abschattungsposition gefahren. Wird das PTHM aktiviert, wird das Rollo mit einem Elektromotor in die „Offen-Position” gezogen und durch einen „Hacken” der durch die Elektronik aktiviert werden muss, auf dieser Position gehalten. Fällt die Elektronik oder die Stromversorgung aus oder wird eine Störung erkannt, wird der „aktive Hacken” gelöst und das Rollo fährt durch die bereits gespeicherte Energie des Federzugs automatisch in die Abschattungsposition zurück.
• Anwendungsgebiete
• Durch die hier geschilderten Maßnahmen und den damit erhöhten Fertigungsaufwand, wird der Hauptfokus der Anwendung dort zu finden sein, wo es auf Effizienz und Flexibilität der Energieerzeugung ankommt. Zum Beispiel dort,
• – wo wenig Platz für Solarfelder zur Verfügung steht,
• – aber auch in Bezug auf die Langlebigkeit solcher Anlagen. Da der hier vorgestellte Lösungsansatz einen wesentlich geringeren Wärmestress für die sehr spröden Mono- und Polykristallinen Solarzellen zur Verfügung stellen, im Gegensatz zu den handelsüblichen, in Kunststoffen teilweise fest einlaminierten Solarzellen, die einer Wärmedynamik zwischen Tag und Nacht von 60...90°C ausgesetzt sein können, deren Ausfälle wahrscheinlich zum Teil auf das Konto von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verbuchen sind.
• 1. Dezentrale Stromenergiegewinnung wo günstiges Kühlwasser zur Verfügung steht: In der Industrie und auf Schiffen. In privaten Immobilien, speziell wo Eisspeicher vorhanden sind, die im Winter die Wärme aus dem Boden ziehen und infolge dessen viel Eis während des Winters aufbauen und diese im Sommer diesbezüglich genutzt werden kann.
• 2. Dezentrale adaptive Strom- und Wärmegewinnung: Überall dort, wo begrenzt Platz für die Aufstellung von Solarfeldern zur Verfügung steht und sowohl Strom, als auch Wärme benötigt wird.
• 3. In der Landwirtschaft: Es werden manchmal Felder aufgeheizt um die Wachstumseffizienz zu steigern. Hier wäre der Einsatz dieser Technik eine gute „Symbiose”.
• Legende:
• 1: Solarzelle – monokristallin oder polykristallin Die Kontaktierung erfolgt auf der Unterseite, dem Minus-Pol über einen leitfähigen Kleber zur Kühlplatte (4), auf der Oberseite werden die Plus-Pole, in der Regel 3 Stück, mit den üblichen Flachbandleitungen, mit den seitlich liegenden Kontaktstützpunkten verlötet. Ist in dieser Querschnitt-Skizze nicht eingetragen.
• 2: Leitkleber – thermisch und elektrisch gut leitend Aktuell bietet sich eine Kupferpaste an, diese trocknet selbst im offenen Zustand nicht ein. Der Test dafür läuft nun im dritten Jahr. Die Solarzelle schwimmt auf diesem Pastenfilm und kann unterschiedliche thermische Ausdehnungen gut ausgleichen.
• 3: Füllraum für Dichtungsmaterial – Silikon etc. Zur Sicherheit wird dieser Spalt damit gefüllt, sodass die Austrocknungsgefahr der Kupferpaste im Langzeitbereich minimiert oder eliminiert wird. Unterschiedliche thermische Ausdehnungen werden damit ausgeglichen.
• 4: Kühlplatte – Alu Oberseite: Damit ein guter elektrischer Kontakt zur Solarzelle über den Leitkleber gewährleistet wird, muss diese oberflächenbehandelt werden (chromatieren, Surtec etc.) Rückseite: Siehe (10)
• 5: Kühlmitteleinlass – möglichst kalt Wird mit dem Kühlmittelverteiler verschraubt
• 6: Kühlmittelauslass – aufgewärmt Wird mit dem Kühlmittelverteiler verschraubt
• 7: Kühlflüssigkeitsraum – adaptiert die Strömungsstärke Durch die Querschnittserweiterung in Fließrichtung kann das dadurch größer werdende Volumen der Kühlflüssigkeit, die Wärme von Eingangsabschnitt besser aufnehmen, um im Ausgangsabschnitt noch eine ausreichende Kühlung zu erreichen.
• 8: Strömungsadapter – thermisch schlecht leitendes Material Dieser hat drei Aufgaben: – Durch die Kammerbildung an den Ein- und Ausgängen und den dadurch entstehenden Spalten zwischen den Seitenwänden und dem Strömungsadapter, wird ein wirbelfreier Kühlmitteldurchfluss erreicht. – Querschnittserweiterung in Fließrichtung s. o. (7) – Kühlwasser-Bypass: Dieser unterstützt den Strömungsadapter, indem der darunterliegende Raum das Kühlmittel über breiter werdende Öffnungen, relativ kontinuierlich vermehrt, direkt in den Ausgangsbereich leitet, um eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung an der Solarzelle zu erreichen.
• 9: Kühlflüssigkeitshaube – thermisch schlecht leitendes Material Dieser bildet den Hohlkörper für die Kühlflüssigkeit und dem Strömungsadapter, wird mit der Kühlplatte über eine Dichtung fest verschraubt und beinhalten die Übergänge zum Kühlmittelverteiler.
• 10: Kühlplatte-Rückseite – Elektrische Isolation – thermisch gut leitend Die Unterseite der Kühlplatte muss mit einer thermisch gut leitenden und elektrisch isolierenden Beschichtung versehen werden, damit kein parasitärer elektrischer Strom durch das Kühlwasser fließen kann.
• 11: Kontinuierliche Erhöhung des thermischen Leitwerts der Kühlplatte Unterstützt die Bestrebungen von (8). Durch eingefräste Rillen, die sich zur Austrittsöffnung kontinuierlich vertiefen, wird der thermische Leitwert der Kühlplatte zur Kühlwasser-Austrittsöffnung hin gesteigert und in Folge dem thermischen Anstieg in gleicher Richtung entgegengewirkt.
• 12: Abstandsnoppen Die Höhe dieser Noppen bestimmt den Raum für den Kühlmittel-Bypass.
• 13: Kühlmittel-Bypass, Hohlraum Raum unter dem Strömungsadapter (8) für eine vermehrte Kühlmittelverteilung in Richtung Ausgang.
• 14: Kühlmittel-Bypass, größer werdende Durchbrüche in Fließrichtung Die Kühlmittelverteilung wird durch unterschiedliche große Bohrdurchmesser bestimmt.
• 15: Zulauf-Ablaufspalt Dient zur Vermeidung von Verwirbelungen
• 16: Ablauf-Ablaufvorkammer Dient zur Vermeidung von Verwirbelungen
• 17: Kühlmittelverteiler-Aluprofil Durch das Verschraubungssystem zu jedem einzelnen PTHZ und zu den Zu- und Ablauf-Querverteilerprofilen wird daraus ein selbsttragendes System. Dieses wird in einem Rahmen mit Glasabdeckung, Rolo und Isoliermaterialien zu einem Photo-Thermie-Modul (PTHM) vereint.
• Abschattung: Fig. 3:
• 20: Sonnenschutz-Markisenstoff Bei Störfällen wird die gesamte Solarfläche abgeschattet Materialeigenschaften: Temperaturunabhängig Weiß oder reflektierend
• 21: Stahlseil Zur Führung des Markisenstoffs
• 23: Versteifung Verteilt die Zugkraft des Stahlseils über die Gesamthöhe der Markise
• 24: Große Umlenkrolle oder Gleitfläche für den Markisenstoff Beide Optionen sind noch offen
• 25: Umlenkrolle für das Stahlseil Mit kleinen Seilrollen

Claims (2)

1. Photo-Thermie-Modul, welches sowohl elektrischen Strom als auch Wärme liefern kann, wozu es mit einer Kühleinrichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Widerstand zwischen der Solarzelle und dem Kühlmedium auf ein Minimum der technischen Möglichkeiten verringert ist und dass durch Temperaturkompensationsmaßnahmen (vergl. 1) an jeder Solarzelle zusammen mit einer parallelen Kühlung (vergl. 2) der gesamten Solarpalette eine gleichmäßige Temperaturverteilung über das gesamte Solarsystem erreicht wird und zugleich der Energieaufwand für die Pumpleistung im Verhältnis zur transportierten Wärmemenge reduziert wird.
2. Photo-Thermie-Modul nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Abschattungsvorrichtung (Rollo) (vergl. 3) vorgesehen ist, um im Störungsfall die Solarzellen zu schließen, um vor allem eine Überhitzung zu vermeiden.

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