(Solarkollektoren mit Kältemaschine)

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Solarkollektor mit photovoltaischen und thermisch nutzbaren Solarzellen , der mit mindestens einem konzentrierenden Reflektor ausgestattet ist .

Solche Photovoltaikmodule dienen der direkten Umwandlung von solarer Strahlung in elektrische Energie bzw. Wärme .

Das von der Sonne abgestrahlte Spektrum elektromagnetischer Strahlung kann nur zu einem geringen Teil zur Wandlung in Elektrizität genutzt werden weil die Empfindlichkeit der voltaisch wirkenden Solarzellen nur im Bereich von etwa 350 - 900nm gegeben ist . Die Energie der unter 350nm liegenden UV-Strahlung und der über 900nm liegenden Infrarotstrahlung bewirkt die Erwärmung der Zellen . Bei Temperaturen um -20°C ist deren Wirkungsgrad am höchsten und ab 80 ⁰ C so nieder daß sich die Stromproduktion nicht mehr lohnt . Bei noch höheren Temperaturen können die Zellen zerstört werden wobei diese Größen stark vom jeweiligen Solarzellentyp abhängig sind . Dieses Problem verschärft sich drastisch wenn die Solarzellen mit konzentriertem Licht betrieben werden . Bei einem Konzentrationsfaktor über 10 reichen an einem klaren Sommertag schon wenige Minuten um zerstörend wirkende Temperatur zu erreichen. Diese Zellen müssen wirksam gekühlt werden .

Nach dem Stand der Technik wird versucht die Wärme entweder über großflächige Kühlkörper abzuleiten oder die Solarzellen bzw. ihren Träger mit einem Kühlkörper zu verbinden der von einem Kühlmittel durchströmt wird . Es ist auch bekannt die Solarzellen von einem Kühlmedium umströmen zu lassen um die Wärmeübertragung zu verbessern wobei vielfältige Probleme bezüglich Korrosions- und Kurzschlußfestigkeit auftreten und für den Betrieb der Kühlmittelumwälzpumpe ein nicht unerheblicher Teil der von den Zellen produzierten elektrischen Energie aufgewendet werden muss.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren aufzuzeigen das einfach und preiswert herstellbar ist und den Wirkungsgrad damit ausgerüsteter Solarkollektoren verbessert .

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Anspruch 1 gelöst . Weitere ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen beschrieben .

Durch die vorliegende Erfindung ist die effektive Kühlung der Solarzellen mittels einer Absorptionskältemaschine möglich , deren Antriebsenergie durch die nicht photovol- taisch nutzbare Sonnenstrahlung bereitgestellt wird . Die spektrale Trennung der gesammelten Strahlung erfolgt vorzugsweise aber nicht ausschließlich so , daß die flachen photovoltaischen Zellen möglichst gleichmäßig mit dem von ihnen nutzbaren Spektrum und die solarthermischen Zellen linienförmig mit dem ausgekoppelten Strahlungsanteil bestrahlt werden . Je stärker die Konzentration der thermischen Strahlung und entsprechend schmal die thermisch bestrahlte Fläche ist, um so höher ist die erreichbare Temperatur . Die nach dem Stand der Technik all- gemein bekannten Absorptionskältemaschinen arbeiten vorwiegend entweder mit dem Stoffpaar Ammoniak/Wasser bei einer Austreibertemperatur von 80 ⁰ C - 250 ⁰ C und Verdampfungstemperaturen bis -70 ⁰ C oder Lithiumbromid/Wasser mit Austreibertemperaturen von 80 ⁰ C - 110 ⁰ C und Verdampfungstemperaturen bis 0 ⁰ C und Adsorptionskältemaschinen mit dem Stoffpaar Silikagel/Wasser bei Austreibertemperaturen von 60 ⁰ C - 95°C . Das verdichtete Kältemittel , z.B. Ammoniak wird im Austreiber unter Zufuhr der Antriebstemperatur in Form von Wärme aus der Lösung verdampft . Der Antrieb ist also thermisch und kann in den thermischen Solarzellen oder durch diese erfolgen . Die Wärmestrahlung die normalerweise die photovoltaische Stromproduktion behindert kann jetzt zum Antreiben einer Kältemaschine und der damit möglichen Kühlung wirkungsgradverbessernd verwendet werden .

Der Kältemitteldampf muß nach geleisteter Arbeit kondensiert werden . Dieser Vorgang findet erfindungsgemäß überwiegend durch offene Verdunstung in kühlbaren Behältnissen , beispielsweise Platten , Röhren oder Schläuchen etc. statt , die zumindest zum Teil von den Konzentratoren und/oder Solarzellen bzw. deren Träger gebildet und/oder getragen werden .

Die Trennung der thermischen und der photovoltaisch nutzbaren Strahlung wird vorzugsweise mittels teildurchlässigem Spektralfilter zwischen Konzentrator und Solarzelle bewirkt , was zusätzlich zu dem vorteilhaften Effekt führt , daß die photovoltaischen Zellen relativ kühl bleiben und die thermische Strahlung mittels optisch wirksamer Hilfsmittel wie beispielsweise Linsen , Spiegel , Reflektoren , etc. auf die solarthermischen Zellen konzentriert werden können.

Eine andere Methode unerwünschte Wärmestrahlung von den Solarzellen fernzuhalten ist die spektrale Filterung der auftreffenden Strahlung mittels eines transparenten Kühl-

mittels das die Zellen zumindest im bestrahlten Bereich benetzt oder umspült , die nicht photovoltaisch nutzbare Strahlung in Wärme wandelt und in einen Wärmetauscher transportiert der zumindest teilweise durch Verdunstungskälte gekühlt wird . Ist das Kühlmedium weder Wasser noch wasserähnlich , beispielsweise Monopropylenglykol oder Tripropylenglykol muß dieses in einem geschlossenen Behälter oder Kreislauf geführt werden . Wird Wasser als Filter- und Wärmetauscherflüssigkeit verwendet , kann es wärmebelastet offener Verdunstung zugeführt werden.

Der Wärmeentzug durch offene Verdunstung ist um ein mehrfaches größer als durch Konvektion oder Strahlung . Wird die Reflektorfläche vergrößert um den Konzentrationsfaktor zu erhöhen wird auch gleichzeitig die nutzbare Kühlfläche vergrößert . Da die sensitive Oberfläche der Solarzellen bzw. die reflektierende Seite der Konzentratoren zur Sonne ausgerichtet sind , kann ihre Rückseite , die im Schatten liegt , als Verdunstungsfläche oder Träger einer Verdunstungseinrichtung genutzt werden . Das zu verdunstende Medium ist bevorzugt Wasser , vorzugsweise in Form von Regenwasser oder/und Leitungswasser . Diesem können verdunstungsgegünstigende Substanzen , beispielsweise Tenside beigemischt werden . Die Wasserzufuhr erfolgt bevorzugt über die Kapillarwirkung der porösen Materialien die dazu in die Flüssigkeit eintauchen die in einer Rinne , Wanne oder ähnlichem Sammelgefäß gespeichert ist , das bevorzugt unterhalb oder/und oberhalb der Verdunstungseinrichtungen angeordnet ist . Zusätzlich oder alternativ können die Verdunstungseinrichtungen mit Wasser besprüht werden , das ihnen von einer Pumpe oder aus dem Leitungsnetz mit Druck zugeführt wird . Um die Verdunstungsleistung zu erhöhen kann die Verdunstungsfläche von hochporö- sem Material das eine große Oberfläche aufweist gebildet werden . Besonders geeignet sind Filze , Vliese , Fasermatten , Schäume aus organischen oder/und anorganischen Stoffen , vorzugsweise Metallschäume , gebrannte Tonwaren , Sinterelemente , Keramikplatten und dergleichen . Werden Verdunster mit wenigen cm Abstand zueinander parallel oder leicht konisch gestaffelt montiert , entsteht ein Kamineffekt der die Kühlwirkung verstärkt . Bei liegender Anordnung von Modulen auf geneigter Fläche ist es vorteilhaft wenn eine Hinterlüftung vorhanden ist .

Nachfolgend wird die Erfindung an einem schematisierten Ausführungsbeispiel näher erläutert . Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Solarkollektor .

Die solare Strahlung 5 wird vom Reflektor 6 auf den Strahlteiler 4 gelenkt , der die thermisch nutzbaren Frequenzen 8 im UV- und Infrarotbereich auskuppelt und auf die thermisch wirksame Solarzelle 9 lenkt , die direkt oder indirekt das Kältemittel der Absorptionskältemaschine 7 verdampft . Die photovoltaisch nutzbare Strahlung 3 wird von der Solarzelle 2 , die mit dem Verdampfer 1 der Kältemaschine 7 verbunden ist in Elektrizität gewandelt . Der mit der Kältemaschine 7 mittels der Verrohrung 12 verbundene Reflektor 6 wird als Kondensator genutzt , dessen Kühlleistung durch , auf seiner Rückseite angebrachte , poröse und/oder große Oberflächen und vorzugsweise dunkle Farbe aufweisende Beschichtung 11 , die mit leicht verdunstender Flüssigkeit , bevorzugt Wasser , benetzt ist , vergrößert ist . Der Kühler 1 kann mittels der Verrohrung 12 mit der Kühlkammer 10 des Reflektors 6 verbunden sein .