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Experimente mit verschiedenen Kühlungsvarianten
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Autor:
Dipl. Ing. (FH) Eberhard Zentgraf Elektroingenieur
im TEC-Institut für technische Innovationen
An Planung, Aufbau, Messungen und Auswertung beteiligtes wissenschaftliches Team:
E. Zentgraf, Moritz Göde, Ralf Zentgraf
Inhalt:
1. Vorwort: Anlass der Untersuchungen
2. Vorüberlegungen und Versuchsaufbau
2.1 Geplante Kühlungsmethoden
2.1.1 Kühlung durch herkömmliche, natürliche Luftkonvektion
2.1.2 Kühlung durch Lüfter
2.1.3 Kühlung durch Kühlrippen
2.1.4 Kühlung mit Hilfe von Fließwasser in Schläuchen
3. Ergebnisse der Untersuchungen
3.1 Kühlung durch natürliche Luftkonvektion ans unveränderte Modul
3.2 Kühlung durch Lüfter am unveränderten Modul
3.3 Kühlung durch natürliche Konvektion am Modul mit Kühlrippen
3.4 Kühlung durch Lüfter am Modul mit Kühlrippen
3.5 Kühlung durch Fließwasser, relativ schwacher Wasserfluss
3.6 Kühlung durch Fließwasser, relativ starker Wasserfluss
4. Bewertung der Ergebnisse
5. Equipment
1. Vorwort: Anlass der Untersuchungen:
Anlass der Untersuchungen mit verschiedenen Kühlungsvarianten an (in diesem
Fall monokristallinen) Modulen, war die Tatsache, dass bei kristallinen Modulen in
Folge starker Erwärmung die abgegebene Leistung deutlich zurückgeht.
Typische Temperaturkoeffizienten kristalliner PV-Module liegen für die MPPLeistung
(bei STC) im Bereich zwischen -0.37 und -0,52 %/°C (DGS,
Photovoltaische Anlagen, Kap. 3-29). Der rechnerische Mittelwert liegt daher bei -
0.44%/°C. Legt man diesen Mittelwert zu Grunde, so reduziert sich die
Leistungsabgabe eines kristallinen PV-Moduls, bei einer Erhöhung der
Modultemperatur von zum Beispiel 30°C auf 50°C (im Sommer durchaus übliche
Werte, siehe auch Abb. 0) und ansonsten angenommenen gleichen
Umgebungsbedingungen (idealisiert), um 8,8%.
Dies berechnet sich folgendermaßen:
50°C minus 30° = 20°C
20°C multipliziert mit -0,44%/°C ergibt -8,8%
Eine Temperaturerhöhung des Moduls von 30°C auf 60° C würde eine
Leistungsverminderung von 13,3% zur Folge haben.
Daher war es für uns durchaus interessant zu untersuchen, wie mögliche
Modulkühlungen zu realisieren wären und ob sich eventuell eine Rentabilität
ergeben würde.
Abb. 0: Erwärmung eines PV-Moduls an einem Sommertag
2. Vorüberlegungen und Versuchsaufbau:
Wir legten uns darauf fest, folgende PV-Modul-Kühlungsmethoden zu testen
2.1. Geplante Kühlungsmethoden
- Kühlung durch herkömmliche, natürliche Luftkonvektion
- Kühlung durch Lüfter
- Kühlung durch Aluminiumkühlrippen
- Kühlung mit Hilfe von Fließwasser in Schläuchen
Als Testmodule wählten wir die monokristallinen PV-Module ASM 180 der Firma ANTARIS aus, da deren Leistungs-Temperaturkoeffizient von -0,45 %/°C sehr nahe am Mittelwert von -0,44%/°C la g (siehe Punkt 1).
Da die Experimente im November 2008 durchgeführt wurden und daher im Labor stattfanden, benutzten wir als Wärmequelle den laboreigenen 4000WStrahler (Eigenbau), siehe Abb. 1, welcher jeweils 30cm mittig vor dem zu testenden Modul aufgebaut wurde.
Ebenfalls in Abb. 1 ist in der Mitte des Moduls der rote Temperatursensor (Pt 100, zuvor kalibriert) zu erkennen.
Wichtiger Hinweis:
Zu beachten ist, dass die Wärmequelle (4000W-Strahler im Eigenbau) gleichzeitig eine Lichtquelle darstellt. Allerdings weicht das Spektrum dieses Lichtes sehr weit vom Sonnenlichtspektrum ab und ist aus dem 50 Hz- Stromnetz erzeugt. Durch das Licht dieses 4000W-Strahlers erzeugt das Modul zwar eine gewisse geringe elektrische Leistung, die aber keinerlei Aussagekraft bezüglich unseres Vorhabens besitzt. Der 4000W-Strahler diente lediglich dazu, durch seine Hitze das Modul zu erwärmen!
In den Diagrammen Abb. 14 bis 19 wurde nur die Modul-Leerlaufspannung dargestellt um den Ein- und Ausschaltzeitpunkt der 4000W-Wärmequelle zu protokollieren.
Abb. 1: PV-Modul ANTARIS ASM 180 mit 4000W-Strahler und Temperatursensor
2.1.1. Kühlung durch herkömmliche, natürliche Luftkonvektion
In Abb. 2 ist ein ANTARIS ASM 180-Modul zu erkennen, dessen Rückseite „frei“ ist, Weiterhin steht das Modul hoch genug über dem Laborboden, so dass ungehinderte Luftströmungen gewährleistet sind. (Ergebnisse siehe Punkt 3.1) Der 4000W-Strahler ist noch ausgeschaltet.
Abb. 2: ANTARIS ASM 180-Modul mit Freiraum für ungehinderte Luftströmungen
Abb. 3: 4000W-Strahler in Betrieb, Abstand zum Modul: 30cm
2.1.2. Kühlung durch Lüfter
Um die Modulkühlung durch Luftströmung zu verstärken, fertigten wir aus verschiedenen Lüftern (div. ausgebaute PC-Lüfter etc.) eine sogenannte Lüfterbank (siehe Abb. 4) Ergebnisse siehe Punkt 3.2.
Abb. 4: Lüfterbank zur Verstärkung der Luftströmung
In Abb. 5 ist die Lüfterbank im Einsatz zu sehen. Die kühlere Bodenluft wird von den Lüftern an der Modulunterseite vorbei-„geblasen“, Ergebnisse siehe Punkt 3.2.
Abb. 5: Lüfterbank unter dem PV-Modul
2.1.3. Kühlung durch Kühlrippen (Aluminium)
In der Hoffnung eine bessere Wärmeableitung zu erzielen, wurde an einem PV-Modul ANTARIS ASM 180 rückseitig Aluminium-Blechwinkel angebracht. Der Wärmeübertragung zwischen Modul und Aluminiumwinkeln wurde günstig gestaltet. Siehe Abb. 6., Abb. 7 und
Abb. 8.
Abb. 6: ANTARIS ASM 180, Rückseite mit Aluminium-Winkeln als Kühlrippen
Abb. 7: Fertig bestückte Modulrückseite mit Kühlrippen
Abb. 8: Aluminium-Winkel als Kühlrippen, in Großaufnahme
Zusammen mit der Temperaturerfassung wurde auch die Temperatur der Kühlrippen mit Hilfe eines Pt 100-Sensors, welcher ebenfalls vorher kalibriert wurde, erfasst (siehe auch Abb. 9).
Abb. 9: Temperatursensor zur Erfassung der Kühlrippentemperatur
Es fanden zwei Arten von Versuchsreihen statt. Dabei wurde untersucht wie sich das Kühlungsverhalten
a) bei natürlicher Luftkonvektion und
b) mit Hilfe der Lüfterbank
verhielt.
Ergebnisse siehe unter Punkt 3.3 und 3.4.
2.1.4. Kühlung mit Hilfe von Fließwasser in Schläuchen
Als weitere Variante wurde das Kühlen mit Hilfe von Fließwasser untersucht. Dazu wurde ein schwarzer Schlauch (Fabrikat: Gardena) schleifenartig gewickelt und an die Rückseite des ANTARIS ASM 180 gepresst. Durch diesen Schlauch wurde später das Kühlwasser geleitet. Abb. 10 zeigt den aufgewickelten Schlauch im halbfertigen Zustand, hierbei ist der mittlere Bereich noch frei. In Abb. 11 ist auch der mittlere Bereich mit dem schwarzen Schlauch bedeckt. Damit der Aufbau nicht umfällt, ist er an einem Bein des Labortisches befestigt. Die Darstellung Abb. 12 zeigt den Wasserzulauf (gelber Schlauch) und den Wasserablauf (grauer Schlauch). Als Kühlwasser wurde kaltes Leitungswasser verwendet, welches nach dem Durchfließen der Schläuche durch das Waschbecken ablief. Weiterhin ist in Abb. 11 ein Wasserzähler zu erkennen, womit die durchgeflossene Wassermenge gemessen werden konnte. Die dünne, rot-weiß verdrillte Leitung, führt zu einem Pt 100-Sensor, der innerhalb des grauen Ablaufes angebracht ist. Mit Hilfe dieses Sensors konnte die Abwassertemperatur (nach dem Durchfließen der Schläuche) gemessen werden.
Abb. 10: Aufgewickelter und angepresster Kühlwasserschlauch, im halbfertigen Zustand.
Abb. 11: Fertig aufgewickelter und angepresster Kühlwasserschlauch, bereits in der Testphase.
Abb. 12: Wasser-Zu- und Ablauf, mit Wasserzähler und Wassertemperatursensor
Nach dem Aufbau des Versuches (wie in den Abb. 10 bis 12) zu sehen, wurden die Testreihen durchgeführt. Auch in diesem Fall wurde mit Hilfe des 4000W-Strahlers das Modul erwärmt (sehe Abb. 13).
Ergebnisse unter Punkt 3.5 und 3.6.
Abb. 13: Durchführung der Messreihen mit Fließwasserkühlung
3. Ergebnisse der Untersuchungen
3.1. Kühlung durch natürliche Konvektion am unveränderten Modul
(siehe auch Punkt 2.1.1.)
Abb. 14 zeigt die Erwärmungsphase und Abkühlphase des Moduls. Das Modul lässt sich bei der vorhandenen natürlichen Konvektion bis auf 73°C erwärmen.
Abb. 14: Erwärmungs- und Abkühlphase bei natürlicher Konvektion
3.2. Kühlung durch Lüfter am unveränderten Modul
(siehe auch Punkt 2.1.2)
Nachdem die natürliche Konvektion durch Lüfter unterstützt wurde, erwärmt sich das Modul nur noch auf 60°C, siehe Abb. 15. Di es entspricht einem Rückgang von 13°C, bzw. einer Leistungssteigerung d es Moduls von knapp 6%.
Abb. 15: Erwärmungs- und Abkühlphase durch Lüfterunterstützung
3.3. Kühlung durch natürliche Konvektion am Modul mit Kühlrippen
(siehe auch Punkt 2.1.3)
Abb. 16 zeigt das Verhalten des mit Kühlrippen bestückten Moduls ohne Lüfteruntstützung, das Modul lässt sich auf ca. 82°C erwärmen.
Abb.16: Erwärmungs – und Abkühlphase des Moduls mit Kühlrippen, ohne Luftunterstützung.
3.4. Kühlung durch Lüfter am Modul mit Kühlrippen
In Abb. 17 ist das Verhalten des Moduls mit Kühlrippen bei eingeschalteter Lüfterbank zu sehen.
Abb. 17: Erwärmungs- und Abkühlphase des Moduls mit Kühlrippen, mit Luftunterstützung
Vorläufiges Fazit:
Wie aus den Abb. 14 bis Abb. 17 zu ersehen ist, bewirkt das Anbringen von Aluminiumblechen auf der Modulrückseite eigentlich genau das Gegenteil von dem, was ursprünglich beabsichtigt war. Trotz Verwendung von Wärmeleitkleber und –paste, können die „Kühlrippen“ die Wärme nicht vom Modul wegleiten, sondern verschlechtern die beabsichtigte Kühlung bzw. Wärmeabgabe noch. Vermutlich sorgt die Folie, mit welcher das PV-Modul an der Rückseite beklebt ist, für diesen unerwünschten Effekt. Das Anblasen der
„Kühlrippen“ an der Modulrückseite mit Luft bewirkt lediglich ein Abkühlen des Aluminiums. Im Hinblick auf die Modultemperatur und im Vergleich zu dem Fall, dass die Kühlrippen nicht angeblasen werden, ändert sich der Verlauf der Modul-Temperatur fast nicht.
3.5. Kühlung durch Kühlwasser, relativ schwacher Wasserfluss
(siehe Punkt 2.1.4):
Das Diagramm in Abb. 17 zeigt das Verhalten bei einem Kühlwasserdurchfluss von 182 Litern pro Stunde. Damit gelingt es, die Modultemperatur bei ca. 60°C zu stabilisieren. Beac htenswert ist auch der Temperaturverlauf des Kühlwassers im Schlauch. Vor dem Start der Messreihe befand sich noch Wasser vom Vortag im Schlauch, welches sich über Nacht auf Raumtemperatur aufgewärmt hatte. Erst danach machte sich das kühlere Leitungswasser bemerkbar. Die Abkühlphase zeigt, dass sich das Leitungswasser, während des Durchflusses nur um ca. 3°C erwärmt hatte.
Abb. 18: Erwärmungs- und Abkühlphase des Moduls mit Hilfe von Kühlwasser bei schwächerem Kühlwasserdurchfluss
3.6. Kühlung durch Fließwasser, relativ starker Wasserfluss
Aus dem Diagramm in Abb. 19 ist zu erkennen, dass auch der deutlich höhere Kühlwasserdurchfluss von 478 Litern pro Stunde keine wesentlichen Verbesserungen gegenüber 182 Litern pro Stunde gebracht hat.
Abb. 19: Erwärmungs- und Abkühlphase des Moduls mit Hilfe von Kühlwasser bei stärkerem Wasserdurchfluss
4. Bewertung der Ergebnisse:
Aus den Diagrammen der Punkte 3.1 bis 3.6 ergeben sich folgende Erkenntnisse:
1. Das Anbringen von Kühlungsrippen auf ein Standardmodul bewirkt wegen des bereits unter Punkt 3.4 beschriebenen Verhaltens eine schlechtere Kühlung als ohne Kühlrippen. Um erfolgreich mit Aluminiumrippen zu kühlen, müsste die Struktur eines PV-Moduls bereits bei der Modulentwicklung so konzipiert werden, dass eine sehr gute Wärmeabgabe von den Zellen/Wafern an die Kühlrippen möglich ist.
2. Die Kühlung mit Wasser bewirkt zwar eine deutliche Kühlung gegenüber einem Modul, an welchem keine zusätzliche Maßnahmen vorgenommen wurde. Allerdings kann man…
3. den gleichen Kühlungseffekt, ohne jeglichen Wasserverbrauch, durch einfaches Anblasen der Rückseite eines Standardmoduls bewirken.
4. Nicht umsonst weisen sämtliche Modulhersteller darauf hin, dass kristalline Module möglichst gut hinterbelüftet sein sollen
Fazit:
Aufgrund unserer Untersuchungen ergibt sich für uns als sinnvollen Kompromiss für eine möglichst gute Hinterlüftung zu sorgen, so dass entweder Umgebungsluft, verbunden mit einer Art Kamineffekt (zum Beispiel auf geneigten Dächern) möglichst gut kühlt, oder wetterbedingte Luftströmungen und Winde, die Aufgabe eines „Lüfters“ übernehmen können.
Interessant wäre durchaus die Kombination von Photovoltaik und Solarthermie in einem einzigen Modul und einem in sich geschlossenen Wasserkreislauf. Entsprechende Neuentwicklungen von kombinierten Photovoltaik- und Solarthermie-Modulen könnten sich zukünftig, aufgrund der deutlich gefallenen Rohstoff- und Modulpreise rechnen.
5. Equipment:
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Bezeichnung
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Hersteller/Vertreiber
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Typ
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| PV-Modul 180 Wp PV-Modul 165 Wp Temperatursensoren Digitalmultimeter 4000W-Strahler Lüfterbank Wasserschlauch/schwarz Wasserzähler Mess-PC Mess-Software Auswerte Software |
ANTARIS Schott Conrad/RS Voltcraft Eigenbau Eigenbau Gardena SPX Dell Microsoft Microsoft |
ASM 180 |
Waldaschaff, 27.07.09
Eberhard Zentgraf
Dipl.-Ing. (FH) Elektrotechnik