DE10304061A1

DE10304061A1 - Flach-Wärmekollektor als Kühlplatte für Photovoltaik-Zellen, -Module und -Laminate

Info

Publication number: DE10304061A1
Application number: DE10304061A
Authority: DE
Inventors: Günter W. Lütze
Original assignee: Uti Holding and Management AG
Current assignee: Uti Holding and Management AG
Priority date: 2003-01-19
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-07-29

Abstract

Flachwärmekollektor, dadurch gekennzeichnet, daß dieser als Kühlplatte für Photovoltaikzellen eingesetzt wird.

Description

Photovoltaik-Zellen weisen allgemein bei steigender Temperatur eine erhebliche negative Leistungsänderung auf, die in der Regel zwischen 0,4 und 0,5 Prozent (%) pro Grad Celsius (°C) der Temperatursteigerung beträgt. Dies betrifft Solarzellen auf kristalliner Basis genauso wie Dünnschichtzellen der verschiedensten Art, die derzeit in der Entwicklung sind und gegenüber den erstgenannten eher zukünftige Preisvorteile bei der Herstellung erwarten lassen.
Bisher war man der Auffassung, daß sich die eigentlich logische Verbindung eines Wärmekollektors für die Warmwassererzeugung mit der Stromerzeugung durch Photovoltaikzellen verbietet, weil die Erhitzung des unter den Zellen befindlichen flüssigen Mediums in den mit den Zellen besetzten Modulen in den üblichen Kastenformen auf 65 – 70°C und die anhaltende Kontaktierung mit dieser Wärme, aufgrund des damit für die Zellen ständig während der Sonneneinstrahlung verbundenen Erhitzungsgrades zu einem zu großen Leistungsabfall führt. Damit war die bisherige Meinung in den beiden letzten Jahrzehnten, in denen mehrfache Versuche dieser Art gestartet wurden, richtig.
Auch wurden die Solarzellen, genauso wie die Kollektoren, hauptsächlich in relativ kleinen Einheiten zu Modulen oder Paneelen montiert und auch so, vor Ort zusammengeschaltet, an der einen oder anderen Dach- oder Fassadenstelle eines Gebäudes oder auch im Freigelände zum Betrieb montiert und der Sonneneinstrahlung, bisher so gut wie immer entweder für die Strom- oder die Warwassererzeugung ausgesetzt. Dies führte auch dazu, daß ein einheitliches Bild des Daches oder der Fassade nicht gezeigt werden konnte.
Bei den allgemeinen technischen Angaben zu den vielfältig angebotenen Photovoltaikmodulen, die ja eine Zusammenfassung einer bestimmten Zahl von Zellen sind, gibt es deshalb in der Regel auch Angaben zur normalen Zellentemperatur, die zwischen 42 und 52°C schwanken und von denen ausgehend auch Spannungsänderungen und daraus abgeleitete Strom- und Leistungsänderungen pro °C gerechnet werden.
Die Entwicklung neuer Technologien bei der Herstellung von Flachkollektoren, wie sie u.a. aus der Patentanmeldung DE 103 00 864.6 und DE 103 01 990 .1 ersichtlich ist, und die Vergrößerung und Verlängerung der Kollektoren auf bis zu Giebellänge oder Fassadenhöhe macht jedoch mit dieser Auffassung Schluß und sichert für die Zukunft bei mit Photovoltaik in jeder Form kombinierten Wärme-Kollektoren nicht nur einen ständig ansteigenden Warmwasserertrag, sondern auch zusätzlich eine erhebliche Leistungssteigerung durch die ständige Abkühlung der Zellen insbesondere im unteren und mittleren und teilweise auch im oberen Temperaturbereich, der bei starker Sonneneinstrahlung mit maximal 75°C gleichbleibend, leicht in der Temperatur über dem abströmenden Fluid mit 65 bis 70°C, liegt.
Ein wesentlicher Faktor für die langjährige Haltbarkeit solcher Kombinations-Kollektoren ist die etwa gleiche Wärmeausdehnung aller Materialien oder die Schaffung von Pufferzonen für die verschiedenartige Ausdehnung bei den relativ großen Modulen in bis zu Giebellänge oder Fassadenhöhe.
Durch die ständige Durchleitung und die Zufuhr des Fluids in die Wärmeflachkollektoren im niveaumäßig unteren Bereich der montierten Module ist es z.B. möglich, je nach Durchlaufgeschwindigkeit mit einer Eingangstemperatur von 20°C auf die als normal geltende Zelltemperatur von im Mittel 50°C und darunter abzusenken und im niveaumäßig obersten Bereich auf der für die Fluiderwärmung oberen Temparturschwelle von knapp über ca. 65°C zu halten, so daß nur für diesen obersten Bereich der sonst übliche Leistungsabfall für maximal 15°C, entsprechend in der Regel pro °C von 0,5% = maximal 7,5% gilt, der aber durch die Unterschreitung der Normaltemperatur im niveaumäßig unteren und mittleren Bereich überkompensiert wird, so daß praktisch insgesamt die volle Leistung der Zellen, trotz höchster Sonneneinstrahlung und Erhitzung, erhalten bleibt.
Neben den in den beiden vorerwähnten Patentanmeldungen gezeigten Kollektorplatten und deren Herstellungsart ist es natürlich möglich, auch andere großflächige Kollektorplatten erfindungsgemäß einzusetzen, so zum Beispiel einfache Kunststoff-Flachkollektoren, wie diese zum Beispiel für die Freibaderwärmung im Sommer auf dem Rasen ausgelegt werden, oder aber solchen aus festerem Kunststoffmaterial mit als Steg-, Hütchen-, Röhren-, Kegel- oder anderen Abstandhaltern gebildeten Hohlräumen, durch die das Fluid fließt und die die Funktion des unter den Photovoltaikzellen liegenden Kollektors bilden.
Zu den Zeichnungen 1
1 Flach-Wärmekollektor mit Dünnschicht-Solarmodul

01 Flach-Wärmekollektor
02 Fluid
03 Dünnschicht-Solarmodul

2 Flach-Wärmekollektor mit kristalliner Solarzelle

11 Flach-Wärmekollektor
12 Fluid
13 Kristalline Solarzelle

3 Flach-Wärmekollektor mit Solarzellen – Temperaturverläufe

21 Flach-Wärmekollektor
22 Aufsteigendes Fluid
23 Solarzellen
24 Temperaturkette des Fluids (ca. Werte)
25 Temperaturkette der erwärmten Solarzellen
26 Zufluß Fluid mit Eingangstemperatur z.B. 20°C
27 Abführung Fluid erwärmt auf bis zu 70°C
28 Sonneneinstrahlung

Claims

Flachwärmekollektor, dadurch gekennzeichnet, daß dieser als Kühlplatte für Photovoltaikzellen eingesetzt wird.
Flachwärmekollektor, dadurch gekennzeichnet, daß dieser als Kühlplatte für Photovoltaik-Module eingesetzt wird.
Flachwärmekollektor, dadurch gekennzeichnet, daß dieser als Kühlplatte für Photovoltaik-Laminate, Dünnschichtzellen oder Dünnschichtfolien eingesetzt wird.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus der Durchströmung mit am Anfang abgekühltem Fluid die Abkühlung darüberliegender, erhitzter Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate bewirkt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieser durch die Abkühlung der erhitzten Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate eine durch die Erhitzung eingetretene Leistungsminderung durch eine Leistungssteigerung ersetzt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieser, als Einzelplatte oder aus mehreren nebeneinanderliegenden Platten bestehend, eine ganze Dachfläche bedeckt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieser als Einzelplatte oder aus mehreren nebeneinanderliegenden Platten bestehend, eine ganze Fassadenfläche bedeckt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus übereinander angeordneten Platten bestehend, eine ganze Dachfläche bedeckt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieser als Einzelplatte oder aus mehreren neben- oder übereinanderliegenden Platten bestehend eine großflächige, zur optimalen Sonneneinstrahlung hin geneigte großflächige, über einer Freifläche angeordnete Einheit bildet.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus der Durchströmung mit am Anfang abgekühltem Fluid im Einfließbereich in den Kollektor mit einer Temperatur von + 20°C die Abkühlung darüberliegender, erhitzter Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate von + 80 auf ca. + 25°C und damit in diesem Bereich eine Leistungsänderung von ca. +27,5% bewirkt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus der Durchströmung 100 cm über dem Einfließbereich in den Kollektor die Abkühlung darüberliegender, erhitzter Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate von + 80 auf ca. +30°C und damit in diesem Bereich eine Leistungsänderung von ca. +25% bewirkt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus der Durchströmung 200 cm über dem Einfließbereich in den Kollektor die Abkühlung darüberliegender, erhitzter Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate von +80 auf ca. +35°C und damit in diesem Bereich eine Leistungsänderung von ca. +22,5% bewirkt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus der Durchströmung 300 cm über dem Einfließbereich in den Kollektor die Abkühlung darüberliegender, erhitzter Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate von +80 auf ca. +40°C und damit in diesem Bereich eine Leistungsänderung von ca. +20% bewirkt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus der Durchströmung 400 cm über dem Einfließbereich in den Kollektor die Abkühlung darüberliegender, erhitzter Photovoltaikzellen, -Module und/oder- Laminate von +80 auf ca. +45°C und damit in diesem Bereich eine Leistungsänderung von ca. + 17,5% bewirkt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus der Durchströmung 500 cm über dem Einfließbereich in den Kollektor die Abkühlung darüberliegender, erhitzter Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate von +80 auf ca. +50°C und damit in diesem Bereich eine Leistungsänderung von ca. +15% bewirkt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus der Durchströmung 600 cm über dem Einfließbereich in den Kollektor die Abkühlung darüberliegender, erhitzter Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate von +80 auf ca. +55°C und damit in diesem Bereich eine Leistungsänderung von ca. +12,5% bewirkt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus der Durchströmung 700 cm über dem Einfließbereich in den Kollektor die Abkühlung darüberliegender, erhitzter Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate von +80 auf ca. +60°C und damit in diesem Bereich eine Leistungsänderung von ca. +10% bewirkt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus der Durchströmung 800 cm über dem Einfließbereich in den Kollektor die Abkühlung darüberliegender, erhitzter Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate von +80 auf ca. +65°C und damit in diesem Bereich eine Leistungsänderung von ca. +7,5% bewirkt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus der Durchströmung 900 cm über dem Einfließbereich in den Kollektor die Abkühlung darüberliegender, erhitzter Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate von +80 auf ca. +70°C und damit in diesem Bereich eine Leistungsänderung von ca. +5% bewirkt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus der Durchströmung 1000 cm über dem Einfließbereich in den Kollektor die Abkühlung darüberliegender, erhitzter Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate von +80 auf ca. +75°C und damit in diesem Bereich eine Leistungsänderung von ca. +2,5 bewirkt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer zusätzlich um 5°C abgesenkten Einfließtemperatur des Fluids in den Kollektor sich die jeweilige Abkühlung der darüberliegenden, erhitzten Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate ebenfalls um ca. –5°C erfolgt und sich damit die bewirkte Leistungssteigerung um ca. +2,5% erhöht.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet. daß bei einer zusätzlich um jeweils 1°C abgesenkten oder erhöhten Einfließtemperatur des Fluids in den Kollektor sich die jeweilige Abkühlung der darüberliegenden, erhitzten Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate ebenfalls um ca. –1°C erhöht oder ermäßigt und sich damit die bewirkte Leistungssteigerung um ca. + oder –0,5% erhöht oder ermäßigt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erhöhung oder Verringerung der Durchfließgeschwindigkeit des Fluids eine Verringerung oder Erhöhung der Temperatur der Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate und damit eine Leistungssteigerung oder eine Leistungsminderung derselben bewirkt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Kollektors dieselbe Wärmeausdehnung aufweist wie die Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeausdehnung des Kollektors sich durch eine oder mehrere, auf die gesamte Länge verteilte Pufferzonen oder -Abstände zwischen entsprechend großen Flächen der Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate aufgefangen wird.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung des Kollektors und der Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate durch eine die Spannung dauernd aufnehmende Verbindung aufgefangen werden.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte für die Photovoltaikzellen, -Module und/oder -Laminate jede Art eines flächigen Wärmetauschers oder Flachkollektors, sowohl aus Metall, als auch aus thermo- oder duroplastischem Kunststoff, mit oder ohne Faserverstärkung, oder aus einem Kunststoff- oder Kunststoff-/Metall-Verbundmaterial ist.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß dieser insbesondere rechteckige oder quadratische Form hat und der oder die die Zuflußstutzen für die Zuführung des Fluids auf der einen und der oder die Abflußstutzen für die Abführung des Fluids auf der gegenüberliegenden Seite aufweist.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Zu- und/oder Abfluß des Fluids temperatur- und sonneneinstrahlungsabhängig gesteuert ist.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem aufgebrachten Photovoltaiklaminat um Dünnschichtmodule wie z.B.. CIS-Solarmodule, Cadmium-Tellurid-Dünnschichtsolarzellen oder CISCut-Bandsolarzellen oder andere Bandsolarzellen handelt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandsolarzellen auf die gesamte Länge der Kollektoren in einem Stück auflaminiert oder aufgebracht sind.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß dieser leichtgewichtig ist und pro qm ohne Photovoltaikzellen ca. 5,6 kg und mit Dünnschicht-Bandsolarzellen bestückt ca. 8,0 kg wiegt.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß dieser ohne Photovoltaikzellen eine Stärke von ca. 5 bis 6 mm und mit Dünnschichtbandsolarzellen insgesamt eine Stärke von 6 bis 7 mm aufweist.
Flachwärmekollektor nach Anspruch 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß dieser auf die Fläche verteilt an vielen Stellen auch innerhalb der Kollektorfläche voll nagel- und schraubbar oder teil- oder vollflächig verklebbar ist.