DE112006001229T5

DE112006001229T5 - Stationäres Photovoltaikmodul mit niedrigem Solarstrahlungs-Konzentrationsverhältnis

Info

Publication number: DE112006001229T5
Application number: DE112006001229T
Authority: DE
Inventors: Natko Urli
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2009-02-26
Also published as: WO2006123194A1; HRPK20050434B3; HRP20050434A2; US20080210292A1

Abstract

Stationäres Photovoltaikmodul mit niedrigem Konzentrationsverhältnis von Solarstrahlung, welches aus Spiegeln in der Muldenform von gekürzten, verbundartigen, parabolischen, linearen Konzentratoren (CPC) und photovoltaischen, aktiven Segmenten aus kristallinem Silizium oder Teilmodulen aus dünnen, photovoltaischen Halbleitermaterialien besteht, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Modul mehrere Reihen symmetrischer oder asymmetrischer metallischer CPC-Spiegel, überzogen mit einer transparenten Schutzschicht, und photovoltaische Halbleitermaterialien umfasst, welche untereinander elektrisch verbunden sind, wobei die maximale Höhe von Spiegelsegmenten über der Oberfläche von aktiven photovoltaischen Teilen ungefähr gleich der kleineren Abmessung (Breite) eines einzelnen photovoltaischen Segments des Moduls ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft die Kapselung von Solarzellen aus kristallinem Halbleitermaterial oder Dünnschicht-Photovoltaik-Teilmodulen zu Modulen oder Paneelen mit viel größeren aktiven Flächen, wie sie z. B. im Bauwesen und in der Architektur implementiert werden (beispielsweise als BIPV-Elemente).
Die Module sollten vor schädlichen atmosphärischen Einflüssen geschützt werden. Ausgehend von Standardmaßen von Solarzellen oder Dünnschicht-Photovoltaikmodulen, wie sie in Produktionsanlagen gefertigt werden, werden sie mit optisch reflektierenden Spiegeln kombiniert, und ihren Maße sollten entsprechend angepasst werden.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Solarzellen und solare Photovoltaik-(PV-)-Module wandeln Solarenergie direkt in Elektrizität um. Es besteht ein großer Unterschied hinsichtlich der Konstruktion und Verbindung von monokristallinen oder polykristallinen, einzelnen Silizium-Solarzellen zu größeren Modulen, verglichen mit Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium oder aus manchen Halbleiterverbindungen. Erstere werden mit Aluminiumfolien durch Ultraschall- oder Thermokompressionsbonden in Serie untereinander verbunden, während letztere auf einem großflächigen, elektrisch isolierten Substrat in mehreren dünnen Halbleitungs- und Kontaktschichten abgelagert werden und dann durch Laserritzen in einzelne Zellen unterteilt werden, die bereits in Serie miteinander verbunden sind. Untereinander verbundene kristalline Solarzellen werden schichtweite angeordnet und schließlich zwischen zwei Glasplatten oder zwischen einer vorderen Glasplatte und einer nichttransparenten Platte aus einem Kunststoffmaterial eingekapselt. Module aus amorphem Silizium (a-Si) sind bereits auf dem vorderen Glas abgelagert, so dass eine weitere Glasplatte das Modul einkapseln kann, das manchmal auch mit einem Kunststoffrahmen geschützt wird.
PV-Solarmodule sind empfindlich für Tageslicht, d. h. für die direkte und die diffuse Solarstrahlung, und können daher auch bei Bewölkung Elektrizität erzeugen. Ihre weit verbreitete Verwendung umfasst unabhängige Stromquellen, Kraftwerke oder gebäudeintegrierte Elemente (BIPV) in neuen Gebäuden oder nachträglich angebaute Wände und Dächer vorhandener Gebäude. Sie können auch mit dem Stromnetz verbunden werden.
In Gebieten mit höherer Sonneneinstrahlung mit vor allem direkter Strahlung ist es sinnvoll, PV-Solarmodule mit Solarstrahlungskonzentratoren in Form von Fresnel-Linsen oder linearen Parabolspiegeln zu verwenden, die ein Konzentrationsverhältnis von mehr als 100 erreichen können. Die Konzentration von Solarstrahlung geht mit einem Anstieg der Temperatur der Module und einer Verringerung ihres Umwandlungswirkungsgrades einher. Daher ist es vorteilhaft, sie mit Wasser oder Luft zu kühlen. Die wesentliche Idee bei der Implementierung von Konzentratoren ist es, teurere photovoltaische Materialien durch weniger kostenaufwändige, elektrisch passive Materialien zu ersetzen und einen größeren Ertrag an umgewandelter Energie zu erzielen. Um den direkten Anteil der Solarstrahlung besser auszunutzen, sind Module nicht stationär, sondern folgen der täglichen scheinbaren Bewegung der Sonne. Durch die Nachführsysteme erhöhen sich jedoch die Gesamtkosten solcher Anordnungen, und sie sind in Gebieten mit einem höheren Anteil diffuser Strahlung im Vergleich mit stationären Anordnungen nicht wirtschaftlich.
Es gibt eine spezielle Klasse von Solarstrahlungs-Konzentratoren, die so genannten CPC (Verbund-Parabolkonzentratoren), die sich nahe an der thermodynamischen Grenze des Konzentrationsverhältnisses (CR) befinden, das für einen gegebenen Akzeptanz-Halbwinkel θ_c und für den zweidimensionalen Fall gleich CR = 1/sinθc ist.
Sie sind aus einem linken und einem rechten Abschnitt zweier Parabeln zusammengesetzt, deren Achsen mit der optischen Achse einen Winkel θ_c bilden und deren Brennpunkte sich entsprechend an der linken und der rechte Kante des Absorbers (PV-Elementes) befinden. Alle Solarstrahlen innerhalb des nominalen Akzeptanzwinkels 2θ_c erreichen nach einer oder mehr Reflexionen den Absorber. Es ist günstig, die durchschnittliche Anzahl von Reflexionen niedrig zu halten, da jede Reflexion bei der einfallenden Strahlung zu Verlusten führt.
Ein schwerwiegender Nachteil aller CPCs ist ihre große Reflektorfläche, durch die sie in den meisten Anwendungen zu kostenaufwändig werden. Da der obere Abschnitt eines CPC-Reflektors nahezu senkrecht zu der Öffnung steht und daher nur wenig zur Konzentration beiträgt, ist es glücklicherweise möglich, einen CPC ohne signifikante Beeinträchtigung seines Konzentrationsverhältnisses, jedoch unter erheblicher Einsparung von Reflektormaterial, auf etwa die Hälfte seiner Höhe zu kürzen.
Die meisten veröffentlichten theoretischen Arbeiten zu gekürzten CPCs befassen sich mit ihrer Verwendung in Solarwärmekollektoren mit dem rohrförmigen Absorber für eine Sanitärwasserversorgung und nicht für einseitige flache Absorber wie z. B. in Photovoltaikvorrichtungen. Kristalline Bifacial-Silizium-Solarzellen sind bisher als Absorber mit komplizierteren Verbund-Reflektoren verwendet worden, die Teile aus einer Parabel, Kreis und Ellipse aufweisen, mit Glas als Dielektrikum vor dem Absorber, wobei ein Konzentrationsverhältnis von bis zu 30 erzielt wird. Die Wirtschaftlichkeit einer solchen Konstruktion ist aufgrund der großen Abmessungen passiver Teile zweifelhaft.
Zwei schwedische Konstruktionen stehen für nähere Annäherungen an diese Erfindung. Die erste, mit großen CPCs vom Muldentyp mit einem Konzentrationsverhältnis gleich 2,55, wobei die Höhe der Konzentratoren 5-mal größer ist als die Breite von kristallinen Silizium-Solarzellen, kommt als solche für die Fassadenintegration nicht in Frage. Solche Systeme können nur auf flachen Dächern von Gebäuden oder im Gelände angeordnet werden. Die zweite ist zur Integration in Fassaden bestimmt, mit CIGS-Modulen als Absorbern und einem Konzentrationsverhältnis gleich 3, wobei nur eine Hälfte (ein Abschnitt) der Parabel als Konzentrator verwendet wird. Sie steht fast einen halben Meter von der vertikalen Wand nach außen ab und benötigt viel Reflektormaterial.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Grundidee bei dieser Erfindung ist ein Versuch, die Herstellungskosten von solaren Photovoltaikmodulen zu senken, indem ein Teil des kostenaufwändigeren aktiven photovoltaischen Materials durch weniger kostenaufwändiges, passives, Licht reflektierendes Material ersetzt wird, dabei aber der durchschnittliche Wirkungsgrad der Solarenergieumwandlung pro Flächeneinheit des Moduls ungefähr konstant gehalten wird.
Da gebäudeintegrierte Photovoltaiksysteme (BIPV) gute Chancen haben, kurzfristig auf dem PV-Markt zu dominieren, war es von Interesse, standardmäßige, nach Süden ausgerichtete Fassaden und Dächer verschiedener Gebäude mit Elektrizität erzeugenden PV-Modulen und Systemen zu modifizieren, wobei diese zu integralen Teilen von Gebäudeelementen werden. Bei einer solchen Anwendung haben nur stationäre PV-Module einen offensichtlichen Vorteil. Um sowohl direkte als auch diffuse Anteile der Solarstrahlung nutzen zu können, sind nur die gekürzten Verbund-Parabolkonzentratoren (CPC) berücksichtigt worden.
Das zweite Ziel war spezifischer. Es ist vor allem für die Hersteller von a-Si-Modulen relevant, die Module von geringerer Größe herstellen, welche durch die Größe der PECVD-Depositionskammern beschränkt sind und daher auf dem Markt weniger wettbewerbsfähig sind. Anstatt zu versuchen, mehrere Module in einem größeren Paneel einzukapseln, bietet diese Erfindung eine andere Vorgehensweise: sie in noch kleinere Segmente (Teilmodule) zu zerteilen, normal zu separierten einzelnen Zellen, sie mit CPC-Spiegeln zu kombinieren und sie für die BIPV-Anwendung mechanisch und elektrisch zu großen Paneelen zu reintegrieren. Wenn die Höhe der gekürzten linearen CPC-Spiegel ungefähr gleich der Breite der PV-Absorberstreifen(-segmente) ist, wobei ein Konzentrationsverhältnis in der Nähe von 2 bereitgestellt wird und ungefähr eine Hälfte der Modulfläche abgedeckt wird, dürfte die Energiedichte eines solchen zusammengesetzten Moduls derjenigen eines flachen ohne CPC-Spiegel ähnlich sein. Das optimale Verhältnis der Höhe von Reflektoren (das proportional zu der Menge und den Kosten von Reflektormaterialien ist) und der Breite (der Größe) von nacheinander verbundenen PV-Zellen oder der Breite eines Teilmoduls aus einem Dünnschichtmaterial ist abhängig von den Kosten dieser Materialien sowie von meteorologischen Parametern wie z. B. dem Verhältnis von direkter zu diffuser Strahlung in einem bestimmten geographischen Gebiet.
Die CPCs haben Muldenform, d. h. sie konzentrieren Licht in zwei Dimensionen, und beide Parabelabschnitte können symmetrisch oder asymmetrisch sein (wenn die Länge des linken und des rechten Abschnittes nicht gleich ist).
Hier verwenden wir nicht, wie bisher üblich, eine vordere transparente Abdeckung für die CPCs, um eine empfindliche Oberfläche des Spiegels zu schützen, da wir es vorziehen, hoch (bis zu 95%) reflektierende Al-Folie zu verwenden, welche die Form der CPC-Spiegel hat und bereits durch eine transparente Beschichtung geschützt ist.
Das Modul enthält die hintere Al-Platte 11, auf welcher die Reihen von Spiegeln 14 und PV-Absorbern 13 paarweise angeordnet und befestigt sind. Die hintere Platte ist in den rechteckigen Rahmen eingesetzt und an ihm befestigt. Die beiden Enden der Platte sind nach oben gebogen, so dass die Endabschnitte der CPC-Spiegel befestigt sind (wie in 1 und 2 gezeigt).
Die Länge des zusammengesetzten Moduls bei Absorbern aus Dünnschicht-PV-Teilmodulen, die auf dem Glas-Superstrat abgelagert sind (wie bei a-Si) kann ein beliebiges Vielfaches der Breite des PV-CPC-Paars betragen, bestimmt hauptsächlich durch die Größe einer ursprünglichen PV-Platte, die später in Teilmodule zerschnitten wird. Die Teilmodule sind innerhalb des Moduls in Reihe oder parallel elektrisch verbunden. Die Hohlräume zwischen zwei Spiegelabschnitten können für Verbinder oder zur Unterbringung eines DC/AC-Wandlers verwendet werden.
Es können mehrere Module in größeren Rahmen zusammengesetzt werden (3) und als mit isolierenden Schichten kombinierte Fertigelemente beim Bau von Gebäuden verwendet werden.
Ein Beispiel für ein asymmetrisches CPC-Modul als Element einer nach Süden ausgerichteten Fassade wird in 4 gezeigt. Verglichen mit der Leistung eines vertikal ausgerichteten, flachen Platten-PV-Moduls, ermöglicht es eine wesentliche Steigerung einer umgewandelten Energie. Die Ergebnisse können noch weiter verbessert werden, wenn PV-Teilmodule in einem Winkel zu der vertikalen Stellung befestigt werden. Es gibt auch einen Kanal 42 zum Luftkühlen des Moduls, wodurch die Kogeneration von Elektrizität und Wärme bereitgestellt wird.
Kristalline Bifacial-Solarzellen 50, welche die Solarstrahlung von beiden Seiten absorbieren, können unten an dem CPC-Spiegel 50 vertikal angebracht (5) und mit Wasser gekühlt werden, das durch den optisch transparenten, rechtwinkligen Kanal aus Kunststoff fließt.
Symmetrische CPC-Module, die in der nördlichen Hemisphäre auf den nach Süden ausgerichteten Dächern angebracht werden, sollten in einem Winkel zu der horizontalen Ebene schrägstehen, welcher der geographischen Breite des Standortes entspricht, und hinsichtlich ihrer Brennlinien in Ost-West-Richtung ausgerichtet sein.
Zusammenfassung
Stationäres Photovoltaikmodul mit niedriger Konzentration von Solarstrahlung, das aus sequentiell wechselnden Reihen von gekürzten Verbund-Parabolkonzentrations-(CPC-)-Spiegeln 14 und aus kristallinem Silizium gefertigten, aktiven photovoltaischen Segmenten oder Teilmodulen aus photovoltaischen Dünnschicht-Halbleitermaterialien 13 besteht. Die aktiven photovoltaischen Segmente sind elektrisch verbunden, und die maximale Höhe von symmetrischen oder asymmetrischen Metallspiegeln, die durch eine optisch transparente Beschichtung geschützt sind, ist ungefähr gleich der Breite eines einzelnen photovoltaischen Segmentes. Alle Teile des Moduls sind in einem Metall- oder Kunststoffkasten 11 ohne transparente vordere Abdeckung montiert. Das Modul kann auch als zur Integration in Fassaden bestimmter photovoltaisch-thermischer Zusatzgenerator gestaltet sein, wenn einige Rohre zur Wasserkühlung 51 oder Kanäle zur Luftkühlung 42 an der hinteren Seite des Moduls enthalten sind.

Claims

Stationäres Photovoltaikmodul mit niedrigem Konzentrationsverhältnis von Solarstrahlung, welches aus Spiegeln in der Muldenform von gekürzten, verbundartigen, parabolischen, linearen Konzentratoren (CPC) und photovoltaischen, aktiven Segmenten aus kristallinem Silizium oder Teilmodulen aus dünnen, photovoltaischen Halbleitermaterialien besteht, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Modul mehrere Reihen symmetrischer oder asymmetrischer metallischer CPC-Spiegel, überzogen mit einer transparenten Schutzschicht, und photovoltaische Halbleitermaterialien umfasst, welche untereinander elektrisch verbunden sind, wobei die maximale Höhe von Spiegelsegmenten über der Oberfläche von aktiven photovoltaischen Teilen ungefähr gleich der kleineren Abmessung (Breite) eines einzelnen photovoltaischen Segments des Moduls ist.
Stationäres Photovoltaikmodul gemäß Anspruch Nr. 1, dadurch gekennzeichnet, dass seine photovoltaischen Segmente und CPC-Spiegel durch Kleben oder mit Schrauben an der Metall- oder Kunststoffplatte, welche die Rückseite eines vorne offenen Kastens bildet, oder direkt an seinem Rahmen befestigt sind.
Stationäres Photovoltaikmodul gemäß wenigstens einem der Ansprüche Nr. 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaischen Segmente des Moduls mit den asymmetrischen Spiegeln innerhalb des Moduls in einem Winkel zu der horizontalen Ebene befestigt sind, welcher ihrer maximalen jährlichen elektrischen Leistung entspricht, wenn das Modul in die vertikale Fassade eines Gebäudes integriert ist oder daran angebracht ist.
Stationäres Photovoltaikmodul gemäß wenigstens einem der Ansprüche Nr. 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Abschnitt der Parabel in dem gekürzten linearen CPC durch einen flachen metallischen Spiegel ersetzt ist, welcher in einem Winkel zu der horizontalen Ebene in der Weise schrägsteht, dass aufgrund kleinerer Einfallswinkel von Sonnenstrahlen und verringerter Reflexion höhere Absorption von Solarstrahlung durch die photovoltaischen Segmente bereitgestellt wird.
Stationäres Photovoltaikmodul gemäß Anspruch Nr. 1, dadurch gekennzeichnet, dass Teilmodule aus photovoltaischem Dünnschicht-Halbleitermaterial erzeugt werden, indem größere Module, die mit anderen bekannten Techniken hergestellt sind, zu kleineren Segmenten geschnitten werden.
Stationäres Photovoltaikmodul gemäß wenigstens einem der Ansprüche Nr. 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Leitungen zum Wasserkühlen oder untereinander verbundene Kanäle zum Luftkühlen zwischen den aktiven photovoltaischen Segmenten und der hinteren Platte des Kastens eingebaut sind.