Parabolisches bifaziales Solarmodul mit Kühlsystem

Herkömmliche Solarmodule wurden entwickelt und werden eingesetzt, um Sonnenstrahlung mit einer monofazialen Zelle in Strom umzuwandeln. Sie weisen jedoch einen geringen Energieumwandlungswirkungsgrad und hohe Kosten auf, da sie Licht nur über eine Seite aufnehmen können. Um die Kosten der Solarstromerzeugung zu senken, wurde in diesem Patent (US3278811A) ein bifaziales PV-Modul vorgeschlagen. Es kann die Kosten des erzeugten Stroms potenziell senken, da dieser Solarzellentyp einfallendes Sonnenlicht von beiden Seiten der Zelle in elektrische Energie umwandeln kann. Cuevas et al. haben bifaziale Module nachgewiesen, die durch das Einfangen der Albedo-Strahlung vom Dach und der Umgebung 50 % mehr elektrische Leistung erzeugen. Bifaziale Solarzellen erhöhen somit nicht nur die Leistungsdichte, sondern könnten auch die flächenbezogenen Kosten einer Photovoltaikanlage (PV) senken. Darüber hinaus wurde in diesem Patent (US9379269B2) ein bifaziales kristallines Silizium-Solarmodul mit einem Reflektor vorgeschlagen, um mehr Licht über die Rückseite des Moduls aufzunehmen. Andererseits führt ein Temperaturanstieg zu einer Verringerung der Bandlücke. Dies wiederum führt zu einem geringeren Energieumwandlungswirkungsgrad. Daher ist es vorteilhaft, PV-Module künstlich zu kühlen, um die Leistungsabgabe und die optimale Leistungsfähigkeit zu verbessern; zu diesem speziellen Zweck wurden verschiedene Methoden angewandt. Nach bestem Wissen der Autoren findet sich in der Literatur jedoch keine Referenz, die ein PV-Modul vorstellt, das die beiden Lösungen – Kühlung und bifaziale Bauweise mit Reflektor – kombiniert. Die vorliegende Arbeit stellt daher ein verbessertes Design eines integrierten bifazialen Solarmoduls vor, das Sonnenstrahlung mithilfe eines Kühlsystems effizient in elektrische Energie umwandelt.

Ziel des vorliegenden Konzepts ist es, ein Solarmodul bereitzustellen, das Sonnenstrahlung in elektrische Energie umwandeln kann und folgende Merkmale aufweist: 1) Die Senkung der Temperatur der Photovoltaik. 2) Die Umwandlung von einfallendem Sonnenlicht in elektrische Energie von beiden Seiten der Zelle mithilfe von Spiegeln. 3) Die Senkung der flächenbezogenen Kosten einer Photovoltaikanlage. Es sei erwähnt, dass das vorgeschlagene Konzept von Badre El Majid, Saad Motahhir und Abdelaziz El Ghzizal beim OMPIC (Office marocain de la propriété industrielle et commerciale, dem marokkanischen Amt für gewerbliches und kommerzielles Eigentum) unter der folgenden Nummer als Patentanmeldung eingetragen ist: MA42181B1.

DESIGNKONZEPT

Wie in Abbildung 1 gezeigt, besteht der Zweck des Konzepts darin, ein bifaziales Solarmodul bereitzustellen, das die der Sonnenstrahlung ausgesetzten Flächen verdoppelt, um mehr elektrische Energie zu erzeugen. Das durch die Rohre strömende Material dient zur Kühlung der Photovoltaikeinheit und muss zudem transparent sein, damit die Sonnenstrahlen zu den reflektierenden Spiegeln gelangen und auf die Rückseite des Moduls reflektiert werden können. Es ist zu erkennen, dass das System parabolische bifaziale PV-Zellen verwendet, die mithilfe von Rohren miteinander verbunden sind. Der Grund für die Verwendung parabolischer PV-Zellen ist die Senkung der flächenbezogenen Kosten einer PV-Anlage. Beachten Sie, dass für den Bau des vorgeschlagenen Systems bifaziale Polymer-PV-Zellen erforderlich sind.

Abbildung 1: 3D-Seitenansicht des parabolischen bifazialen Solarmoduls

Abbildung 2: 3D-Schnittansicht von vorn des parabolischen bifazialen Solarmoduls

Die Abbildungen 1 und 2 zeigen den Zweck der transparenten leitfähigen Rohre. Es gibt zwei Arten von Rohren (gelb und blau), die dazu dienen, die PV-Zellen wie folgt miteinander zu verbinden:

Das gelbe Rohr dient dazu, die PV-Zellen zu verbinden und einen PV-String horizontal aufzubauen.

Die blauen Rohre dienen dazu, die PV-Strings vertikal zu verbinden. Jeder String ist mit dem anderen mit einem Versatz von ½ gegenüber der benachbarten PV-Zelle verbunden, indem das gelbe Rohr jedes Strings mit dem blauen Rohr des anderen Strings verbunden wird. Der Versatz erfolgt abwechselnd einmal in Richtung des unteren Bereichs und einmal in Richtung des oberen Teils. Beachten Sie, dass die blauen Rohre in der Mitte der Rückseite der PV-Zelle befestigt sind. Die Rohre (gelb und blau) sind mit einem Material gefüllt, das die PV-Zelle in der Mitte (blaue Rohre) oder an den Rändern (gelbe Rohre) kühlen kann. Dadurch verbessert dieses Verfahren den Wirkungsgrad des PV-Moduls. Es ist wichtig zu beachten, dass das Material der blauen Rohre nicht mit dem der gelben Rohre verschmolzen ist, um zu vermeiden, dass sich die blauen Rohre durch das der Sonne ausgesetzte Material der gelben Rohre erwärmen.

Wie in Abbildung 3 gezeigt, lassen die parabolische Form der PV-Zellen und die abwechselnde Verbindung der PV-Strings Sonnenstrahlung durch alle Öffnungen, die sich aus diesem Konzept ergeben, zum Spiegel durchtreten. Da das Material und das Rohr transparent sind, kann die Sonnenstrahlung außerdem auch durch die gelben Rohre zum Spiegel gelangen. Das vorgeschlagene System kann daher einfallendes Sonnenlicht von beiden Seiten der Zelle in elektrische Energie umwandeln und mehr elektrische Leistung erzeugen, indem es ein Maximum an Strahlung einfängt.

Abbildung 3: das Konzept der Strahlungsreflexion des vorgeschlagenen Systems

Herausforderungen

Aufbauend auf den in dieser Erfindung vorgestellten vielversprechenden Ergebnissen wird weiter an den verbleibenden Fragen gearbeitet, die in künftigen Arbeiten wie folgt vorgestellt werden:

• Die Bestimmung des geeigneten Materials für die transparenten Rohre. Es muss das vorgeschlagene System wirksam kühlen können und transparent sein. In einem aktuellen Aufsatz mit der DOI 10.1016/j.jclepro.2018.04.057 wurde beispielsweise ein Phasenwechselmaterial zur Kühlung eines PV-Moduls verwendet. Dieses ist jedoch nicht transparent.
• Für den Bau des vorgeschlagenen Systems sind bifaziale Polymer-PV-Zellen erforderlich. Daher ist es zwingend notwendig, zunächst nach dieser Art von PV-Zellen zu suchen.
• Die Modellierung des vorgeschlagenen Systems mit Simulationswerkzeugen wie Matlab/Simulink.
• Die Wahl des nominalen parabolischen Grades, um den PV-Wirkungsgrad zu maximieren
• Der Wirkungsgrad eines monofazialen PV-Moduls wird beispielsweise mit der folgenden Gleichung berechnet:

Hier ist I(t) die Lichtintensität, die als Bestrahlungsstärke (E) definiert werden kann, d. h. die Leistung der elektromagnetischen Strahlung pro Flächeneinheit, die auf eine Oberfläche trifft, und A ist die Oberfläche der Silizium-Solarzelle. Daher muss eine Gleichung modelliert werden, mit der sich der Wirkungsgrad des vorgeschlagenen Systems berechnen lässt.

Die Temperaturabhängigkeit des Solarzellenwirkungsgrads wird für ein monofaziales PV-Modul durch die folgende Gleichung modelliert:

Hier sind ηc und ηTref die Wirkungsgrade der Solarzelle bei Zelltemperatur bzw. Raumtemperatur, β0 ist der Temperaturkoeffizient des Wirkungsgrads (0,004K−1), Tc und Tref sind die Zelltemperatur bzw. die Referenztemperatur der Solarzelle. Die Größe (Tc−Tref) nimmt mit der Zelltemperatur zu, und folglich sinkt der Wirkungsgrad des monofazialen PV-Moduls. Daher ist es auch erforderlich, die Temperaturabhängigkeit des Solarzellenwirkungsgrads des vorgeschlagenen Systems zu modellieren.

6.Die anspruchsvollste Aufgabe ist der Bau des ersten Prototyps des vorgeschlagenen Systems. Anschließend ist der Wirkungsgrad des vorgeschlagenen Systems zu berechnen und mit bestehenden PV-Modulen zu vergleichen.

SCHLUSSFOLGERUNG

Aus dem durchgeführten Konzept lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:

• Das vorgeschlagene Konzept des parabolischen bifazialen Solarmoduls erlaubt es, mit dem Kühlsystem ein Maximum an Solarenergie auf reduzierter Fläche zurückzugewinnen. Dies kann somit eine Steigerung des Energieumwandlungswirkungsgrads sicherstellen.
• Die Senkung der flächenbezogenen Kosten einer Photovoltaikanlage.
• Mehrere weitere Fragen bleiben zu klären, etwa „Wird dieses Konzept im Vergleich zu bestehenden PV-Modulen effizienter sein?“. Daher sind weitere Untersuchungen zu den in Abschnitt 3 genannten Herausforderungen nötig, bevor eine endgültige Antwort auf diese Fragen gegeben werden kann. So wird ein neuer Weg beschritten, der zu einer kompakteren und effizienteren PV-Energie führen kann.

Link zum Patent: https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/068426003/publication/MA42181B1?q=motahhir

Autor: Saad Motahhir (ENSA, SMBA University, Fès, Marokko)