DE20214078U1

DE20214078U1 - photovoltaic facility

Info

Publication number: DE20214078U1
Application number: DE20214078U
Authority: DE
Original assignee: Solar Holding Zug GmbH
Current assignee: Solar Holding Zug GmbH
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2012-09-11

Description

Solar Holding GmbH, CH-6301 Zug
GebrauchsmusteranmeldungSolar Holding GmbH, CH-6301 Zug
Utility model application

PhotovoltaikeinrichtungPhotovoltaic system

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung von photoelektrischen Zellen oder Solarzellen zur Umwandlung der von der Sonne ausgehenden Strahlen in elektrische Energie. Derartige Photovoltaikzellen (PV-Zellen) setzen sich dank der politischen Rahmenbedingungen und der steigenden Wirkungsgradleistungen immer mehr am Markt durch.The present invention relates to an arrangement of photoelectric cells or solar cells for converting the rays emitted by the sun into electrical energy. Such photovoltaic cells (PV cells) are becoming increasingly popular on the market thanks to the political framework and increasing efficiency.

In der Regel werden diese zu sogenannten Panels fest auf Dächer oder Wände montiert und gegebenenfalls mit Nachführsystemen der Einstrahlungsrichtung der Sonne nachgefühlt. Der Wirkungsgrad der Zellen über den Tag ist vor allem bei höheren Temperaturen und bei starkem Sonnenschein relativ gering, da sich die Effizienz der Zellen mit zunehmender Erwärmung verringert.As a rule, these are mounted on roofs or walls to form so-called panels and, if necessary, track the direction of the sun's rays. The efficiency of the cells during the day is relatively low, especially at higher temperatures and in strong sunshine, as the efficiency of the cells decreases as the temperature increases.

Aus diesem Grund ist eine Kühlung der Zellen eine ökonomisch sinnvolle Maßnahme. Gerade beim Einsatz konzentrierender Systeme, die hocheffiziente Solarzellen benutzen, wirkt sich die Temperaturerhöhung sehr nachteilig aus. Nach dem Stand der Technik wird hierbei versucht, die Rückseite der Zellen durch Wärmeableitungskanäle zu kühlen, ähnlich wie bei der Kühlung anderer vergleichbarer elektrischer Bauelemente. So ist aus der DE 199 14 079 bekannt, hinter dem vor einer Wand aufgehängten Panel in einem Kanal einen Kühlluftstrom zu leiten. In der DE 199 04 717 wird aufgezeigt, dass es zur Kühlung von PV-Zellen grundsätzlich zwei Wege gibt. Entweder lässt sich die Wärme über großflächige Kühlkörper ableiten, oder die PV-Zellen werden mit einem Kühlkörper verbunden, der von einem Kühlmittel durchströmt wird. Dem wird gegenübergestellt, die PV-Zellen vollständig in eine Kühlflüssigkeit zu tauchen.For this reason, cooling the cells is an economically sensible measure. The increase in temperature has a particularly detrimental effect when concentrating systems that use highly efficient solar cells are used. The current state of the art attempts to cool the back of the cells using heat dissipation channels, similar to the cooling of other comparable electrical components. For example, DE 199 14 079 discloses directing a flow of cooling air in a channel behind a panel hung in front of a wall. DE 199 04 717 shows that there are basically two ways to cool PV cells. Either the heat can be dissipated using large-surface heat sinks, or the PV cells are connected to a heat sink through which a coolant flows. This is contrasted with completely immersing the PV cells in a coolant.

Nach der DE 199 23 196 werden auf die Zellen eine spezielle Fluorpolymerfolie oder Platten aufgebracht, welche die Vorderseite der Zellen vor der Kühlflüssigkeit schützen, da bei den genannten Systemen die Kühlflüssigkeit vornehmlich Wasser ist, das die Oberfläche der Solarzellen beschädigt bzw. einen Kurzschluss zwischen Kühlmedium und Solarzelle erzeugt.According to DE 199 23 196, a special fluoropolymer film or plates are applied to the cells to protect the front of the cells from the cooling liquid, since in the systems mentioned the cooling liquid is primarily water, which damages the surface of the solar cells or creates a short circuit between the cooling medium and the solar cell.

Es ist Aufgabe der Erfindung, gerade dies zu vermeiden, und jede zusätzliche durchscheinende Platte, Folie oder Hülle wegzulassen, die den Wirkungsgrad des Systems reduziert.It is the object of the invention to avoid this and to omit any additional translucent plate, foil or cover that reduces the efficiency of the system.

Erfindungsgemäß wird ein extrudierter transparenter Kunststoffkanal verwendet, in dem die PV-Zellen in einem verlöteten Strang direkt im Kühlmedium schwimmen. Somit gibt die bestrahlte PV-Zelle nicht nur von vorn, sondern ringsum an die im Kunststoffkanal befindliche Kühlflüssigkeit die Erwärmung allseitig und zugleich ab.According to the invention, an extruded transparent plastic channel is used in which the PV cells float in a soldered strand directly in the cooling medium. The irradiated PV cell thus gives off heat not only from the front, but also all around to the cooling liquid in the plastic channel on all sides and at the same time.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausfuhrungsbeispiels und den Unteransprüchen.Further details, features and advantages emerge from the following description of an exemplary embodiment shown in the drawing and the subclaims.

Es zeigen:Show it:

Figur 1 schematisch die Bündelung der auf die Zellen ausgerichteten Strahlung,Figure 1 schematically shows the bundling of the radiation directed at the cells,

Figur 2 in schematischer Perspektive die Anordnung der bestrahlten Zellen undFigure 2 shows in schematic perspective the arrangement of the irradiated cells and

Figur 3 den Kühlflüssigkeitskreislauf.Figure 3 shows the cooling liquid circuit.

In der schematisch dargestellten Anordnung 10 werden die parallel von der Lichtquelle, normalerweise der Sonne, einfallenden Stahlen 12 von einer Fresnellinse, einer Linearlinse oder Fokuslinse 14 gebündelt auf einen Kühlkanal 20 gerichtet. Der Kühlkanal 20 ist extrudiert, was eine einfache Herstellung ermöglicht. Innerhalb des Kanals 20 schwimmen in einem Kühlfluid 22 die Zellen 24. Weitere Einzelheiten gehen aus Figur 2 hervor, beispielsweise wie der Kühlkanal 20 mit einer Stütze 16 gegenüber der Vorrichtung 14 zum Bündeln gehalten und ausgerichtet werden kann.In the schematically illustrated arrangement 10, the rays 12 incident parallel from the light source, normally the sun, are bundled by a Fresnel lens, a linear lens or a focus lens 14 and directed onto a cooling channel 20. The cooling channel 20 is extruded, which enables simple manufacture. The cells 24 float in a cooling fluid 22 within the channel 20. Further details can be seen in Figure 2, for example how the cooling channel 20 can be held and aligned with a support 16 relative to the device 14 for bundling.

Das System wird durch Kühlkreisläufe gemäß Figur 3 vervollständigt. Die Kühlflüssigkeit 22 wird an den schwimmenden Zellen 24 in einem Primärkreislauf vorbeigeführt, der vor einem Wärmetauscher 26 von einer Umwälzpumpe 30 bewegt wird. Der Kreislauf lässt sich durch Ventile 32 und 34 regeln und gegebenenfalls über 36 entleeren. Überwacht wird der Primärkreislauf durch ein Thermometer 37, durch einen Druckmesser 39 und ein Sicherheitsventil 38.The system is completed by cooling circuits as shown in Figure 3. The cooling liquid 22 is guided past the floating cells 24 in a primary circuit which is moved by a circulation pump 30 in front of a heat exchanger 26. The circuit can be regulated by valves 32 and 34 and emptied if necessary via 36. The primary circuit is monitored by a thermometer 37, a pressure gauge 39 and a safety valve 38.

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3 Die von den schwimmenden Zellen 24 aufgenommene Wärme wird über den Wärmetauscher 26 an einen Sekundärkreislauf 40 abgegeben. In diesem Sekundärkreislauf 40 können ein Wärmemengenzähler 42 und über ein Ventil 43 ein Ausdehnungsgefäß 44 eingeschlossen sein, ebenso wie ein Schmutzfänger 46, ein Thermometer 47, ein Manometer 49 und ein Druckwächter 48. Mit Ventilen 62 und 54 lässt sich der Sekundärkreis 40 regeln. 3 The heat absorbed by the floating cells 24 is transferred to a secondary circuit 40 via the heat exchanger 26. This secondary circuit 40 can contain a heat meter 42 and, via a valve 43, an expansion vessel 44, as well as a strainer 46, a thermometer 47, a pressure gauge 49 and a pressure switch 48. The secondary circuit 40 can be controlled using valves 62 and 54.

Schon aus der bisherigen Beschreibung ist erkennbar, dass die Erfindung mehrere wesentlichen Vorteile vereint und die Wärme bereits auf der Vorderseite der PV-Zellen ohne eine weitere Schutzschicht zur Zelle abführt und daher noch bessere Wärmeübertragungswerte und vor allem eine höhere elektrische Stromausbeute der Photovoltaikzellen gegenüber dem Stand der Technik erreicht.It can already be seen from the previous description that the invention combines several essential advantages and dissipates the heat already on the front side of the PV cells to the cell without an additional protective layer and therefore achieves even better heat transfer values and, above all, a higher electrical current yield of the photovoltaic cells compared to the prior art.

Die Wärmeverluste nach Außen werden über relativ starke Kunststoffprofile, eine wirksame Luftisolation und einen sofort nachgeschalteten isolierten Fluidkreislauf erheblich verbessert. Mit einer temperatur- und druckgeregelten Pumpe 30 können sowohl konstante Wirkungsgradspitzen als auch systemschonende Drücke im gesamten Kühlkreislauf gefahren werden. Die gezielte Anordnung der Druckpumpe 30 vor dem Wärmetauscher 26, der die Energie des Kühlfluids an die weiteren Wärmeleiter übergibt, sichert eine zusätzliche Schonung eines über Jahre sicher funktionierenden Kühlsystems des Systems gemäß der Erfindung.The heat losses to the outside are significantly improved by relatively strong plastic profiles, effective air insulation and an insulated fluid circuit immediately downstream. With a temperature and pressure-controlled pump 30, both constant efficiency peaks and system-friendly pressures can be achieved in the entire cooling circuit. The targeted arrangement of the pressure pump 30 in front of the heat exchanger 26, which transfers the energy of the cooling fluid to the other heat conductors, ensures additional protection of a cooling system of the system according to the invention that functions reliably for years.

Eine sehr wirtschaftliche und auch funktionsfähige Methode ist diese Anordnung der Zellen 24 schwimmend mit speziellen Abstandshaltern zur Zelle 24 hin, die durch die Form des extrudierten Kanals 20 fertigungstechnisch einfach hergestellt werden kann, so dass diese verhältnismäßig eng geführt wird und bei Bewegungen durch die Fluiddämpfung keine Schäden davonträgt.A very economical and functional method is this arrangement of the cells 24 floating with special spacers towards the cell 24, which can be easily manufactured due to the shape of the extruded channel 20, so that it is guided relatively closely and does not suffer any damage during movements due to the fluid damping.

Gegenüber demjenigen Stand der Technik, wonach Wasser oder wasserähnliche Medien zur Kühlung eingesetzt werden, hat die Erfindung den wesentlichen Vorteil, dass keine zwei Schichten von konzentriertem Licht durchschienen werden müssen, sondern jeweils an der Innenseite des Kühlkanals und auch auf der Oberfläche der PV-Zelle das gleiche Kühlmedium anliegt und so optimale optische Verhältnisse herrschen. Dies bedeutet bei gleicher Konzentration des Lichtes gegenüber dem Stand der Technik eine signifikante Wirkungsgradsteigerung des gesamten Systems um ca. 10 %.Compared to the state of the art, which uses water or water-like media for cooling, the invention has the significant advantage that two layers of concentrated light do not have to be shone through, but rather the same cooling medium is applied to the inside of the cooling channel and also to the surface of the PV cell, thus creating optimal optical conditions. With the same concentration of light, this means a significant increase in the efficiency of the entire system by around 10% compared to the state of the art.

Ein weiterer Vorteil des stranggepressten oder extrudierten Kühlkanals 20 ist, dass durch die homogene Hülle keine undichten Stellen bei Temperatur- und Druckänderungen in dem Fluidkreislauf auftreten können, da nicht verschiedene Werkstoffe mit differenten Temperaturausdehnungs-Koeffizienten zusammengepresst, verschraubt oder verklebt werden müssen (kein Bimetalleffekt).A further advantage of the extruded cooling channel 20 is that, due to the homogeneous shell, no leaks can occur in the event of temperature and pressure changes in the fluid circuit, since different materials with different thermal expansion coefficients do not have to be pressed, screwed or glued together (no bimetallic effect).

Weiter wurden verschiedene Kühlmedien geprüft und gefunden, die eine höhere Wärmeaufnahmefähigkeit besitzen als die im Stand der Technik beschriebenen Fluide. Deshalb kann als Kühlmittel Monopropylenglykol eingesetzt werden, das keine toxische Wirkung und eine bessere spezifische Wärmeaufnahme aufweist. Gleiches gilt für Tripropylenglykol, das noch höhere Temperaturen zulässt und auch keine toxische Wirkung hinterlässt. Damit reduziert sich die Leistungsstärke der Pumpe und der Energieverbrauch zum Erzeugen der elektrischen und thermischen Energie.Furthermore, various cooling media were tested and found that have a higher heat absorption capacity than the fluids described in the prior art. Therefore, monopropylene glycol can be used as a coolant, which has no toxic effect and better specific heat absorption. The same applies to tripropylene glycol, which allows even higher temperatures and also has no toxic effect. This reduces the performance of the pump and the energy consumption to generate the electrical and thermal energy.

Weiterhin sind die Zu- und Ableitungen zum und vom Absorber 20, 22, 24 isoliert, um möglichst geringe Energieverluste aus der Gewinnung der thermischen Energie im Absorber zu sichern. Schließlich können mehrere Absorber, je nach Leistungswunsch und Energieaufnahme, in Reihe hintereinander oder parallel nebeneinander geschaltet werden. Beispielsweise lässt sich der elektrische Strom über vierundzwanzig Absorber, die in Reihe geschaltet werden, gewonnen werden. Dagegen kann die thermische Energiegewinnung über jeden Absorber einzeln parallel im Kühlkreislauf geschaltet sein. Damit kann Kundenwünschen in beiden Energiegewinnungsarten und Größen nachgekommen werden.Furthermore, the supply and discharge lines to and from the absorber 20, 22, 24 are insulated to ensure that energy losses from the generation of thermal energy in the absorber are as low as possible. Finally, several absorbers can be connected in series one behind the other or in parallel next to one another, depending on the desired performance and energy consumption. For example, the electrical current can be generated via twenty-four absorbers connected in series. In contrast, the thermal energy generation via each absorber can be connected individually in parallel in the cooling circuit. This means that customer requirements can be met in both types of energy generation and sizes.

Claims

1. Photovoltaic device with photovoltaic cells completely immersed in liquid, characterized in that the photovoltaic cells ( 24 ) are located in a channel ( 20 ) which is extruded from a radiolucent material and through which cooling liquid ( 22 ) surrounds the photovoltaic cells ( 24 ) on all sides in a primary circuit.

2. Photovoltaic device according to claim 1, characterized in that the coolant primary circuit is equipped with a pressure and temperature controlled pump ( 30 ) upstream of a heat exchanger ( 26 ) to the secondary circuit ( 40 ).

3. Photovoltaic device according to one or more of the preceding claims, characterized in that only one cladding layer for conducting the cooling medium and for dissipating the thermal energy is inserted between the PV cell ( 24 ) and a concentrator lens ( 14 ).

4. Photovoltaic device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the surface of the cooling channel ( 20 ) is treated antistatically.

5. Photovoltaic device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the ends of the channels ( 20 ) are welded, pressed or glued to transparent end caps.

6. Photovoltaic device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the liquid medium is not water.

7. Photovoltaic device according to claim 6, characterized in that monopropylene glycol is used as the cooling fluid ( 22 ).

8. Photovoltaic device according to claim 6, characterized in that tripropylene glycol is used as the cooling fluid ( 22 ).

9. Photovoltaic device according to one or more of the preceding claims, characterized in that all supply and discharge lines to and from the absorber ( 20 , 22 , 24 ) are insulated.

10. Photovoltaic device according to one or more of the preceding claims, characterized in that several absorbers ( 20 , 22 , 24 ) are connected in series or in parallel.