Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischenPatents im Europäischen Patentblatt kann jedermann nach Maßgabe der Ausführungsordnung beim EuropäischenPatentamt gegen dieses Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebührentrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen).

Printed by Jouve, 75001 PARIS (FR)

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(12) EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT

(45) Veröffentlichungstag und Bekanntmachung des Hinweises auf die Patenterteilung: 17.12.2014 Patentblatt 2014/51

(21) Anmeldenummer: 11824297.3

(22) Anmeldetag: 22.08.2011

(51) Int Cl.:H01L 31/0525 (2014.01)

(86) Internationale Anmeldenummer: PCT/DE2011/001650

(87) Internationale Veröffentlichungsnummer: WO 2012/072058 (07.06.2012 Gazette 2012/23)

(54) ANLAGE ZUR ERZEUGUNG ELEKTRISCHER ENERGIE AUS SONNENENERGIE

SYSTEM FOR THE GENERATION OF ELECTRICITY FROM SOLAR ENERGY

INSTALLATION POUR LA PRODUCTION D’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE À PARTIR D’ÉNERGIE SOLAIRE

(84) Benannte Vertragsstaaten: AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

(30) Priorität: 20.08.2010 DE 10201003538418.11.2010 DE 10201005156508.04.2011 DE 102011016450

(43) Veröffentlichungstag der Anmeldung: 26.06.2013 Patentblatt 2013/26

(73) Patentinhaber: Solar Real Contact GmbH18055 Rostock (DE)

(72) Erfinder: KLEBER, Joachim65428 Rüsselsheim (DE)

(74) Vertreter: Baumbach, FriedrichPatentanwalt Robert-Rössle-Strasse 1013125 Berlin (DE)

(56) Entgegenhaltungen: DE-A1- 4 307 705 DE-A1-102006 023 616JP-A- 59 097 457 US-A1- 2003 221 717US-A1- 2010 037 931

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Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeu-gung von elektrischer Energie und Erhöhung der Arbeits-leistung einer Photovoltaikzelle (PV-Zelle). Anwen-dungsgebiet der Erfindung ist das Gebiet der Solarener-giegewinnung.[0002] In der Beschreibung werden folgende Abkür-zungen verwendet:

NOCT Normal Operation Cell TemperatureP dot Wafer Positiv dotierte WaferPECVD Plasma-Enhanced Chemical Vapour

Deposition (plasmaunterstützte chemi-sche Gasphasenabscheidung)

P/N Positiv/Negativ-ÜbergangPV-Zelle Photovoltaik-ZelleSTC Standart Test ConditionsTHG Thermogenerator

[0003] Die photovoltaische Energieumwandlung, alsodie Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische En-ergie, findet mit Hilfe von Solarzellen in Photovoltaikan-lagen statt. Die Wirkungsweise einer solchen Zelle be-ruht auf dem hinreichend bekannten photovoltaischenEffekt. Dieser ist Stand der Technik und wird in zahlrei-chen Schriften beschrieben (z.B. DE 21 2009 000 025U1, WO 2009/135238 A2). Bei Lichteinwirkung findet inder Zelle an dem Halbleiterübergang eine Ladungstren-nung statt, die zu einem Ladungsungleichgewicht in derZelle führt. Das dabei entstehende elektrische Span-nungsgefälle kann zur Umwandlung der Strahlungsen-ergie in elektrische Energie genutzt werden.[0004] Photovoltaik-Module weisen in der Regel eineSchicht aus Solar- bzw. Photovoltaikzellen auf, sowie ei-ne auf der Sonnenseite der Photovoltaikzellen angeord-nete transparente Folie und ein auf der Folie angeord-netes transparentes Sicherheitsglas. Auf der Rückseiteder Photovoltaikzellen, d. h. auf der sonnenabgewandtenSeite der Zellen ist üblicherweise ebenfalls eine trans-parente Folienschicht aufgebracht.[0005] Der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage,auch als Effizienz bezeichnet, ist das Verhältnis der vonihr erzeugten elektrischen Leistung und der eingestrahl-ten Sonnenenergie Das heißt, sie gibt an, wie viel dereingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Ener-gie umgewandelt wird.[0006] Das Einsatzgebiet der Photovoltaikanlagenbringt es mit sich, dass diese sich auf Grund der Son-neneinstrahlung erwärmen. Die Leistung einer solchenAnlage ist aber stark temperaturabhängig. Höhere Zell-temperaturen führen zu niedrigeren Leistungen und da-mit zu einem schlechteren Wirkungsgrad.[0007] Verluste der herkömmlichen elektrischen Um-wandlung ergeben sich im Wesentlichen als Abwärme,die in Form von Konvektion und Strahlung abgeführt wird.Zudem entsteht Abwärme aus dem Spektrum des Son-nenlichts, das nicht von der herkömmlichen PV-Zelle um-

gewandelt wird.[0008] Es gibt im Stand der Technik bereits Vorschlä-ge, um diese Wärmeenergie teilweise zu nutzen. So istaus DE 10 2008 009 477 A1 eine solarthermische Strom-erzeugungseinrichtung bekannt, welche einen Absorberenthält, auf dem über verbindende Bauteile ganz oderteilweise Solarzellen angeordnet sein können. Dadurchergibt sich eine doppelte Nutzbarkeit der Stromerzeu-gungseinrichtung. Neben der Stromerzeugung kann dieEnergiemenge, die nicht in Strom umgewandelt. wird, inForm von Wärmeenergie gespeichert werden. So wirddie zur Energiegewinnung verwendbare Fläche besserausgenutzt. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades bei derStromerzeugung sowie der spezifischen Leistung imVerhältnis zur Sonneneinstrahlung kann durch die be-schriebene Anordnung jedoch nicht erreicht werden.[0009] In der mit dieser Patentanmeldung beschriebe-nen Technik kann aber auch die Wärmeenergie genutztwerden, um elektrischen Strom herzustellen. Beide Ele-mente können auf verschiedene Weise miteinander ver-bunden werden.[0010] DE 10 2006 023 616 A1 bezieht sich auf einSystem zur Gewinnung von Sonnenenergie durch Nut-zung des thermoelektrischen Effekts unter gleichzeitigerSpeicherung der Restwärme.[0011] In der DE 3735410 A1 wird eine Anordnung be-schrieben, mittels derer Wärmeenergie durch ein Ther-moelement und ein Peltierelement in elektrische Energieumgewandelt werden kann. Weiter wird offenbart, dassdieser Effekt durch die Verwendung von magnetischenFeldern verbessert werden kann.[0012] US 2003/0221717 A1 offenbart ein Photovolta-iksystem, welches elektrisch leitend mit einem thermoe-lektrischen System verbunden ist, um dieses mit Stromzu speisen. Dem thermoelektrischen System kann einLatentwärmespeicher nachgeordnet. sein. Eine Wärme-leitpaste im kontakt mit den Solarzellen ist nicht offenbart.[0013] DE 10 2008 040 028 A1 kombiniert einzelnetechnische Komponenten zur Energiegewinnung imRahmen einer Energiewandlungsanlage und des zuge-hörigen Verfahrens zur Gewinnung, Wandlung, Speiche-rung und Bereitstellung von Energie an Verbraucher. Da-bei wird ein Photovoltaikelement zur direkten Energie-gewinnung verwendet, welche dann einem Elektroakku-mulator, dem elektrischen Verbraucher oder auch einemPeltierelement zugeführt wird.[0014] Alle im Stand der Technik beschriebenen An-ordnungen haben zum Nachteil, dass die Effizienz derPhotovoltaikzellen im Verhältnis zu der in dieser vorlie-genden Patentanmeldung beschriebenen Wirkungswei-se sehr niedrig ist. Eine Erhöhung der Arbeitsleistungeiner solchen Zelle konnte bislang nicht erreicht werden.[0015] Nach dem Stand der Technik bewegt sich dieEffizienz zwischen 5 bis 25 %. Im Bereich der Module istmit Leistungseinbußen von ca. 3 % zu rechnen, so dassüblicherweise Wirkungsgrade von 2 bis 22 % erzielt wer-den. Bei der Beurteilung von Leistungsdaten von photo-voltaischen Bauteilen sind Normenbedingungen, STC

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(Standard Test Conditions), die bei einer Umgebungs-temperaturvon 25°C, AM 1,5 und 1000 W/m2 liegen, ver-einbart worden (Quelle: IEC 904-3 1989 Photovoltaic de-vices; EN 60904-3 1993)[0016] Diese Werte können nur unter Laborbedingun-gen erreicht werden, so dass durch die Abweichungen,die sich in der Praxis/Natur ergeben, eine deutliche Ar-beitsminderung zu verzeichnen ist. Bereits eine Erhö-hung der Temperatur einer Photovoltaikanlage um 2°Csenkt deren Effizienz um 1%.[0017] Ziel der Erfindung ist es, ein wesentlich leis-tungsstärkeres Photovoltaik-Modul basierend auf einerneuartigen Zelle mit einem höheren Wirkungsgrad zurVerfügung zu stellen. Der Erfindung liegt die Aufgabezugrunde, eine Temperaturstabilisierung der sonnenab-gewandten Seite einer Photovoltaikzelle zu erreichen,die der normierten Temperatur unter Laborbedingungenentspricht, was die Leistungsminderung bei Temperatu-ranstieg verhindert. Darüber sollen die daraus resultie-renden Wärmedifferenzen zur Erzeugung von elektri-scher Energie genutzt werden, auch zu Zeiten, in denenkein photovoltaischer Effekt anliegt.[0018] Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäßmit einer elektrischen Anlage, welche die Merkmale vonAnspruch 1 aufweist. Bevorzugte und vorteilhafte Aus-führungsform der erfindungsgemäßen elektrischen An-lage ist Gegenstand der Unteransprüche.[0019] Die wesentliche Idee der Erfindung besteht da-rin, die bei der Sonneinstrahlung entstehende leistungs-mindernde Wärme zu nutzen und in elektrische Energieumzuwandeln. Besonders daran ist, dass erfindungsge-mäß die Solarzellen herunter gekühlt werden und somitjeweils dem Arbeitspunkt folgend als sogenannterkühlkörper" wirken. Dies ist nicht nur auf den Wegfall dersolaren Strahlung beschränkt, sondern findet immerdann statt, wenn die Abstrahlfähigkeit der Zelle in derLage ist, den Wärmestrom über das Peltierelement küh-lend zu beeinflussen, also ebenfalls tagsüber.[0020] Dadurch, dass an der sonnenabgewandtenSeite der Photovoltaikzellen ein Modul angebracht ist,welches aus Peltierelementen und jeweils daran ange-schlossene Latentwärmespeicher besteht und das voneiner Isolationsschicht umgeben ist, wird die Temperaturauf der sonnenabgewandten Seite der Zelle normiert undder Wirkungsgrad der Photovoltaikzelle wird im Endef-fekt erhöht. Dazu wird die Wärmeenergie in verschalteteLatentwärmespeicher verbracht und hier über die Ein-richtung zur Erzeugung elektrischer Energie wieder ent-nommen.[0021] Beim Beladen der Latentwärmespeicher wirddem Wärmestrom durch die vorgeschalteten Peltierele-menten durch Ausnutzung des Seebeck-Effektes elek-trische Energie entnommen.[0022] Die gespeicherte Wärmeenergie wird mit Hilfeder an dem Wärmestrom der sich einstellenden Wärme-differenzstrecken teilhabenden Peltierelemente in elek-trischen Strom umgewandelt. Dieser elektrische Stromentsteht bei der Wärmeleitung über das Peltierelement

in den Latentwärmespeicher sowie aus dem Latentwär-mespeicher über das Peltierelement in die sich abküh-lenden Umgebungsbauteile. Dabei ergibt sich eine Di-mensionierung auf verschiedene Latenttemperaturenund Kapazitäten, wodurch ein Wärmestrom entsteht,welcher den Seebeckeffekt verursacht.[0023] Die Rückseite der Zelle ist eben durch den La-tenttemperaturwert und die Kapazität des Speichers inder Lage, die Abwärme der PV-Zelle Wandlung so ab-zufangen, dass sie selbst durchaus eine niedrigere Tem-peratur annehmen kann als die Latenttemperatur desWärmespeichers. In einer bevorzugten Ausführungs-form der Erfindung stehen die Solarzellen in direktemKontakt mit dem Thermogenerator. Ein Arbeitsmediumzum Medienaustausch ist im Latentwärmespeicher nichtvorhanden. Erfindungsgemäß ist der Wärmestrom in denGrenzen der Parametrierung selbstregelnd dem Ge-samtstrahlungsaufkommen folgend.[0024] Somit stellt die Solarzelle selbst für den thermi-schen Kreislauf einen sogenannten (Strahlungs)kühlkör-per dar, welcher selbstregelnd entsprechend dem natur-gegebenen Strahlungsangebot arbeitet.[0025] Vorzugsweise werden dabei die elektrischenEnergiequellen (Photovoltaikzelle; Thermogenerator) anOszillatorschwingkreise angeschlossen, und dieSchwingkreise hinsichtlich des elektrischen Bedarfselektronisch aufeinander abgestimmt (Phasenlage undAmplitude).[0026] Zellausführungen dieser Bauart machen dieVerwendung von Wechselrichtern wie bei derzeitigen üb-lichen Photovoltaikinstallationen obsolet. Die Energieü-bertragung kann durch die zeitlich harmonische Ände-rung der abgegebenen Energie kontaktfrei ausgeführtwerden, was die Systemverluste (ohmsche Widerstän-de, Korrosion, Wildfrass) minimiert.[0027] Die Erfindung wird anhand der Modulbeispieleaus Abb. 1 und Abb. 2 näher erläutert:[0028] Aufbauend auf eine elektrische Anlage zur Er-zeugung von Elektrizität aus solarer Strahlungsenergiebestehend aus einer Wetterschutzschicht (1), mechani-scher Entkopplung und Schutzschicht (2) und der Pho-tovoltaikzellschicht (3), ist über eine Wärmeleitpaste einModul bestehend aus einem Peltierelement (4), einerthermischen Isolationsschicht (5), einer nachgeordnetenStabilisierungsschicht mit Latentwärmespeicher (6) ei-nem weiteren Peltierelement (7) mit Isolationsschicht (8)und der dazu dazugehörigen Stabilisierungsschicht miteinem oder mehreren Latentwärmespeichern installiert.[0029] Im Unterschied zur geschlossenen Bauweisedes Moduls aus Abbildung 1 enthält das Modul aus Ab-bildung 2 am Ende des letzten Latentwärmespeichersnoch ein weiteres abschließendes Peltierelement (10),welches einen Durchgang zulässt.[0030] Als Peltierelemente werden in diesem BeispielSilizium-Peltiers verwendet, die mit den benachbartenBauteilen über eine Wärmeleitpaste in Kontakt gebrachtwerden. Vorstellbar und nützlich für das Verständnis derErfindung, aber nicht beansprucht, sind beispielsweise

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auch Peltierelemente, die direkt durch geeignete Stoff-paare auf die Zellrückseite der Zelle zum Beispiel mittelschemisch physikalischer Beschichtungstechnologie auf-gebracht werden können (z.Bsp.PECVD). Jedes der Pel-tierelemente ist dabei mit einem Latentwärmespeicherverbunden.[0031] Ferner besteht die Möglichkeit, die Peltierele-mente mit den jeweils verbundenen Latentwärmespei-chern kaskadenartig anzuordnen, die eine Steuerung derWärmeeinlagerung, die Höhe der Temperaturunter-schiede und die kontrollierte Wärmeabstrahlung und da-mit die kontrollierte Stromerzeugung während der Nachtermöglicht. Hierbei muss allerdings die eventuell vorhan-dene Oszillatorschaltung der Temperatursteuerungnachgelagert werden.[0032] Die in das Trägermaterial aus Gips, Zementge-mischen oder Kunststoffe eingebetteten Latentwärme-speicher können je nach benötigtem LatentwärmepunktÖle, Wassergemische und/oder Salze sein.[0033] Polyurethanschäume werden in diesem Bei-spiel als Isolationsschicht verwendet. Denkbar sind aberauch Vakuumverkapselungen oder Inertgasverkapse-lungen.[0034] Zur Optimierung der Energieinhalte der Latent-wärmespeicher bezüglich der gespeicherten Energieni-veaus und deren Entladung erfolgt für die oben beschrie-benen Elemente eine äußere Beschaltung, die sowohlin der Fläche als auch bei den später beschriebenen Kas-kaden die jeweils benötigten Energieniveaus dreidimen-sional einstellen können.[0035] Beim Auftreffen von solarer Strahlungsenergiewandelt die Zelle diese Strahlung in elektrische Energieum. Dabei werden 5% bis ca. 25% in der Zelle in elektri-sche Energie umgewandelt. Je nach Effizienz der Zellestehen 45-60% der ankommenden solaren Strahlung zurVerarbeitung hinter der Zelle in Form von Wärme zurVerfügung. Hierbei ist nicht die gesamt eingestrahlte En-ergie gemeint, sondern nur die Energie der Wellenlänge,für welche die Zelle ihre maximale Empfindlichkeit hat.Dies haben empirische Messreihen des Erfinders anhandelsüblichen Modulen gezeigt.[0036] Die Erfindung stellt nun im beispielhaft vorlie-genden Fall (Abb.1 und 2) die Kombination Peltierele-ment (4), Isolationsschicht (5) und Latentwärmespeicher(6) auf ein Temperaturniveau im Latentwärmespeichervon 23°C ein und berücksichtigt eine Zelltemperaturän-derung bei normaler Einstrahlung von ca. 38°C bis 79°C.Hierbei stellt sich ein variables Temperaturgefälle überdas Peltierelement von 15°C bis 54°C ein. Die Leistungdes Peltierelementes muss also bei 40-50K delta T ge-rade der Zellleistung entsprechen. Somit erzeugt dasPeltierelement proportional zur Zellleistung die gleicheelektrische Leistung. Absolut verdoppelt sich die Ge-samtleistung des Systems. Ist die Leistungskapazitätdes Latentwärmespeichers überschritten, erhöht sichdessen Temperatur, was zur Zerstörung führen könnte.Deshalb wird der Speicher (9) mit den angeschlossenenTeilen (7) und (8) 10K niedriger dimensioniert, so dass

hier eine Schutzsenke entsteht.[0037] Das Prinzip der Aufteilung der einzulagerndenWärme in die Latentwärmespeicher in den Kaskaden be-steht demzufolge darin, dass bezogen auf die jeweils ka-librierten Latentwärmespeicher, überschießende Wär-me in den jeweils nachgelagerten Latentwärmespeichereingelagert wird.[0038] Damit wird verhindert, dass der jeweilige Lat-entwärmespeicher seinen kalibrierten Temperaturbe-reich verlässt. Ferner besteht die Möglichkeit, Tempera-turkaskaden aufzubauen.[0039] Steht ein entsprechend großes Strahlungsan-gebot zur Verfügung, kann auch ein Speicher mit zumBeispiel 20K höherer Temperatur verwandt werden, so-dass über das zwischen den Speichern liegende Peltier-element bei Beaufschlagung mit geringer elektrischerEnergie der erste Speicher gekühlt und der zweite Spei-cher geladen wird. Je nach Bedarf können derartige Kas-kaden aus Peltierelement und Latentwärmespeicher ei-nen Wärmepfad bilden, der das Temperaturpotential der-art über die Umgebungstemperatur hebt, dass am Aus-gang eines derartigen Pfades ein abschließendes Pel-tierelement (Abb 2 [10]) den Generator des Gesamtsys-tems bildet.[0040] Die Erfindung betrifft eine elektrische Anlagegemäß Anspruch 1.[0041] In einer bevorzugten Ausführungsform ist dieelektrische Anlage dadurch gekennzeichnet, dass derLatenttemperaturwert innerhalb der Anlage auf die je-weils durch die Speichermedien vorgegebenen Latent-wärmepunkte ansteuerbar ist, so dass eine maximaleelektrische Energiemenge generierbar ist und abgeführtwerden kann.[0042] In einer anderen bevorzugten Variante enthältdie elektrische Anlage ein Modul welches aus einem Pel-tierelement oder aus Kaskaden von zwei oder mehr Pel-tierelementen besteht.[0043] Dabei kann das Modul eine geschlossene odereine offene Bauweise mit einem Peltierelement am Endedes letzten Wärmespeichers aufweisen.[0044] Als Peltierelemente können Silizium-Peltiersoder Peltiers aus anderen Halbleiterwerkstoffen verwen-det werden.[0045] In einer besonders bevorzugten Ausführungs-form werden die Peltierelemente mit den benachbartenBauteilen über eine Wärmeleitpaste oder andere leiten-de Verbindungen in Kontakt gebracht.[0046] Die Verwendung von Gips, Zementgemischeoder Kunststoffe als Trägermaterial für die Latentwärme-speicher, in deren Vernetzungsebenen die Latentwär-mespeicher eingelagert sind, hat sich ferner als vorteil-haft erwiesen.[0047] Weiter bevorzugt sind Latentwärmespeicher,die je nach benötigtem Latentwärmepunkt aus Ölen,Wassergemischen und/oder Salzen bestehen.[0048] In einer anderen bevorzugten Ausführungsformist der erste Latentwärmespeicher mit dem angeschlos-senen Peltierelement gegenüber dem zweiten Latent-

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wärmespeicher unterschiedlich dimensioniert.[0049] Eine weitere Ausführungsvariante ist dadurchgekennzeichnet, dass für die Peltierelemente mit dennachgeordneten Latentwärmespeichern eine äußereBeschaltung erfolgt.[0050] Die Peltierelemente sind mit den jeweils nach-geordneten Latentwärmespeichern von einer Isolations-schicht umgeben. Als Isolationsschicht werden dabei be-sonders bevorzugt Polyurethanschäume, Inertgasver-kapselungen oder Vakuumverkapselungen verwendet.[0051] In einer weiteren Ausführungsform werden dieSysteme aus einer Photovoltaikzelle einem Thermoge-nerator und einem Latentwärmespeicher ausgeführt, wo-bei der Thermogenerator von seiner Leistung bei NOCTgleichauf der Zellleistung der Photovoltaikzelle bemes-sen ist. Die Gesamtleistung der Anordnung gegenüberder Photovoltaikzelle alleine verdreifacht sich dadurch,das die PV-Zelle und die THG Leistung beim Einlagernder Wärme gleich bemessen ist, und beim Auslagern derWärme aus dem Latentwärmespeicher der THG diesel-be Leistung erneut erbringt. Der Vorgang der Auslage-rung erfolgt allerdings nicht nur bei Wegfall der solarenEinstrahlung, sondern zudem immer dann, wenn diePhotovoltaikzelle ein größeres negatives Strahlungsan-gebot gegenüber diesem Arbeitspunkt aufweist, also ge-rade auch zu Zeiten an denen die Zelle nicht senkrechtbestrahlt wird, aber senkrecht zur Zelle eine große Tem-peratursenke zur Verfügung steht.[0052] Hierbei dreht sich die Spannungsrichtung derelektrischen Spannung des THG um, was sich nachteiligauf die Energieverarbeitung auswirkt.[0053] Deshalb ist es zweckmäßig, PV-Zelle und THGmit getrennten Oszillatorschwingkreisen zu versehen,damit die Richtung der erzeugten Gleichspannung im-mer für die Verbraucherseite positiv zur Verfügung ste-hen. Eine entsprechende Triggerschaltung bringt die bei-den oszillierenden Energieströme elektronisch in Ein-klang, so dass am Ausgang der PV-Zelle THG Wärme-speicheranordnung immer eine dem aktuellen Strah-lungsangebot maximale elektrische Wechselgrösse an-steht.[0054] Diese Wechselgrösse lässt sich zu Modulgeo-metrien kombinieren, wobei der Verschaltung der so an-geordneten Zellen im Idealfall berührungsfrei induktiv ei-ne gemeinsame Modulspannungsführung eingekoppeltwird. Je nach benötigter Netzspannung können Zellenentsprechend seriell bzw. parallel kombiniert werden, so-mit bedarf es am Ausgang des Moduls nur einer Anpas-sung dieser Wechselspannung auf das vorhandeneNetzniveau bzw. Verbraucherniveau. Aufwendige Löt-stationen bei einer automatischen Modulfertigung kön-nen somit entfallen und mechanischer Stress der Zellenund damit einhergehender Ausfall durch Zellbruch wirdminimiert.[0055] Eine herkömmliche Wechselrichterschaltungist zudem nicht mehr erforderlich.[0056] Die Störungsanfälligkeit einer solchen Techno-logie reduziert sich somit um den Faktor Wechselrichter,

die Kosten auch.[0057] Beim Aufbau kaskadierter PV-Peltier-Latent-wärmespeichergeometrien, bei denen das THG das amweitesten von der Strahlungsquelle entfernt platzierte ist,und mit der schattenbildenden Seite der Anordung mitder Umgebung als Temperatursenke arbeitet, dient daszweite THG als Energiequelle für die kumulierendenTHG Stufen 3-(n-3) bis zum Erreichen der Latenttempe-ratur des letzten Speichers, und das letzte THG zur Er-zeugung der thermoelektrischen Energie mit der Umge-bung als Temperatursenke. Hierbei wird die entstehendeelektrische Energie wie bei dem PV-Kreis und dem 1.THG Kreis analog zu dem oben beschriebenen Verfah-ren eingekoppelt.

Ausführungsbeispiel 1

[0058] Im vorliegenden Beispiel steht die Senke mitdem zwischengeschalteten Peltierelement (7) als Kapa-zitätserweiterung des Latentwärmespeichers (6) zur Ver-fügung, um bei etwaig größerem Leistungsaufkommenan solarer Strahlungsenergie mehr latente Wärme ein-lagern zu können. Je nach Dimensionierung des Punktesder latenten Wärmespeicherung und der Ausgestaltungeventuell nachgeschalteter Kaskaden kann hiermit dieLeistung gewonnen werden, die für die Sicherstellungbzw. eine Erhöhung der Grundleistung benötigt wird.[0059] Im Falle der solaren Einstrahlung wird somit dieHälfte der Wärmeverluste elektrisch umgewandelt bzw.in Form von latenter Wärme eingelagert.[0060] Im Falle des Wegfalls der solaren Einstrahlungerwärmt sich die Zelle (3) über das Peltierelement (4)und gibt diese Wärmeenergie in Form von Strahlung andie Umgebung ab. Theoretisch liegt hier die Tempera-tursenke für die Zelle bei einer Temperatur nahe demabsoluten Nullpunkt, vermindert durch Verluste (Reflexi-on, Streuung) der Atmosphäre, jedoch deutlich unterhalbder Temperatur, die durch gespeicherte Energie aus so-larer Strahlung durch den Latentwärmespeicher nach-geliefert wird.[0061] Die elektrische Energie des Peltierelementes(4) ist der des Peltierelementes (7) entgegengerichtet,so dass für diesen Fall eine geeignete Polumkehr amAusgang des Peltierkreises (4) vorgehalten wird (Brü-ckengleichrichtung, Oszillatoren).[0062] Die Polarität des elektrischen Stromes des Pel-tierelementes (4) ist zu dem beschriebenen Zeitpunktauch entgegengesetzt zu dem Strom desselben bei La-dung der Latentwärmespeicher.[0063] Die elektrische Arbeit, die mit der Erfindung ver-richtet wird, ist im beispielhaft gewählten Fall etwa drei-mal so hoch wie die elektrische Arbeit, die ein handels-übliches Photovoltaiksystem bei gleicher Flächennut-zung verrichten kann. Betrachtet man die reale solareEinstrahlung in Mittel- und Osteuropa im Jahresverlauf,so gewährleistet die latent eingelagerte Wärmeenergiedes Speichers (6) und die permanent wärmetechnischleitende Verbindung (4) zur Zelle (3), dass die Schichten

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oberhalb der Zelle gegenüber handelüblichen Aufbautenin Zeiten des Erreichens der Frostgrenze nicht mehr ein-frieren können und der Aufbau von strahlungsunterbin-denden Schneeschichten sicher unterbunden ist. Diesermöglicht hinsichtlich des Jahresertrages zusätzlicheGewinne an elektrischer Arbeit ohne Anwendung zusätz-licher Energien, wie sie z. B. bei handelsüblichen Abtau-schaltungen benötigt werden.[0064] Statisch ist bei Konstruktionen etwa als Modulnur das tatsächliche Gewicht des Moduls zu berücksich-tigen und keine kalkulativen regionalen Zuschläge, wieetwa Schneelasten, z. B. bei Ganzdacheindeckungen.Beispielhafte Aufbaumöglichkeiten der Module für einePhotovoltaikanlage sind in den Abbildungen 1 und 2 dar-gestellt.

Nicht beanspruchte Variante

[0065] In einer nicht beanspruchten Variante ist dererste Peltierkreis mittels bekannter Prozessverfahren di-rekt auf die Rückseite einer Photovoltaik Zelle aufpro-zessiert. Hierfür sind die Prozessschritte heutiger Pho-tovoltaik Zellen und standardisierte Materialien wie dieRückseitenkontaktierung der Photovoltaik Zelle verän-dert, damit der Herstellungsprozess des Peltierkreiseskeine Funktionsschichten der Photovoltaik Zelle oder diePhotovoltaik Zelle selbst zerstört.[0066] In einer Ausführungsform wird eine Photovolta-ik Zelle bestehend aus P dot Wafer bei einer Temperaturgrößer 600 °C im Induktionsofen N dotiert. Im Anschlusshieran werden die Kanten isoliert, und nun wird auf dieVorderseite ein Silber (Ag) Gitter aufgebracht und auf dieRückseite eine leitende Silberschicht, die kein Gitter seinmuss. Bisher werden diese leitenden Schichten am Endeder Vakuumschichten aufgebracht und durch Befeuernoptimiert, was allerdings die Zellen einem hohen ther-misch/ mechanischen Stress unterzieht.[0067] Eine weitere Variante verwendet auf der Vor-derseite der Zelle statt eines elektrisch leitenden Gitterseine transparent leitende Schicht aus Titanoxid oderZinkoxid, Hierdurch kann auf die Metallisierung und beigeeignetem Fertigungsverfahren auf die Negativdotie-rung verzichtet werden, was eine Massenfertigung er-heblich vergünstigt.[0068] Nun kann die Vorder- und Rückseite in einemNiedrigtemperaturvakuumbeschichtungsverfahrenbeidseitig mit einer Siliziumnitridschicht beschichtet wer-den, wodurch auf der Vorderseite eine Antireflexschichtentsteht, die neben dem vorteilhaften Absorptionsverhal-ten elektrisch isolierend und aufgrund des Absorptions-gesetzes (A=R) thermisch gut leitfähig ist.[0069] Auf der Rückseite ergibt sich so eine Fläche,auf der erneut eine elektrisch leitende Schicht zum Bei-spiel im Vakuumverfahren abgeschieden werden kann,die wenn sie entsprechend der Geometrie des erforder-lichen Peltierkreises maskiert ist, die elektrisch leitendenVerbindungen der P/N Schenkel des Peltierkreises dar-stellen. Werden nun die erforderlichen Schenkel entspre-

chend aufgebracht und an den offenen Seiten elektrischleitend verbunden, entsteht eine Photovoltaikzelle mit ei-nem rückseitigen Peltierkreis, als ein funktionelles Bau-teil der beschriebenen Erfindung.[0070] Bei diesem nicht beanspruchten Beispiel gibtes naturgegeben kein Erfordernis nach einer thermischleitenden Paste zwischen PV-Zelle und Peltierkreis.[0071] Für den einfachsten Fall der beschriebenen Er-findung bedarf es nun einer rückseitigen Einkapselungeines Latentmaterials dieses neuartigen Bauteils mit ei-nem dreiseitig gut thermisch isolierten Bauteil der ent-sprechenden elektronischen Schwingkreise für die bei-den Spannungsquellen, und die Erfindung erfüllt die be-schriebenen Eigenschaften.[0072] Durch die Erfindung wird eine wesentliche Ver-besserung des Wirkungsgrads einer Photovoltaikanlageerzielt. Diese Verbesserung basiert auf folgenden Um-ständen:

1. Die Leistungsabgabe der Photovoltaikzelle nähertsich der angegebenen Nennleistung, da die Rand-bedingungen der Nennleistung hinsichtlich der Bau-teiltemperatur erfüllt sind.

2. Der durch die Stabilisierung entstehende Wärme-strom und die mit der Erfindung realisierte Umset-zung in elektrische Energie erhöht die Gesamtleis-tung.

3. Die Arbeitsleistung steigt zudem dadurch, dassbei Wegfall der solaren Einstrahlung die zuvor ge-speicherte Wärme bei ihrem Rückfluss von Latent-wärmespeicher zur Zelle über das beteiligte Peltier-element in elektrische Energie umgewandelt wird.

4. Bei der Anwendung von Kaskaden von Peltiere-lementen und Latentwärmespeichern zur Erhöhungder Latentspeichertemperaturen wird die elektrischeEnergieabgabe des Systems, bezüglich der Zeit undder abgegebenen Leistung steuerbar.

5. Die Umsetzung von solarer Strahlung in elektri-sche Energie ist nicht mehr nur auf die diskreten Wel-lenlängenbereiche der photovoltaisch wirksamenStoffpaarung beschränkt, sondern nutzt den gesamtin Wärme umsetzbaren Strahlungsbereich. In Zeitengeringer solarer Wärmeeinstrahlung dient die solareLichteinstrahlung bei gleichem Flächenverbrauchzur Grunddimensionierung. Auftretende Wärme inZeiten hoher solarer Lichteinstrahlung wirkt nichtmehr elektrisch leistungsmindernd.

[0073] Die somit durchgängige und ohne Unterbre-chung erzeugte elektrische Energie führt zu einer Stabi-lisierung der Stromversorgung und ist geeignet für eineGrundlastversorgung. Sie kann in der Vernetzung für dieEntwicklung von dezentralen Energieversorgungen ver-wendet werden, aber auch zur Stabilisierung herkömm-

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licher Verbrauchernetze hinsichtlich der Bereitstellungder Energie zur Abdeckung der benötigten Grundlastver-sorgung und Erhöhung des ökologischen Anteils.

Legende zur Abbildung

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Abbildung 1: Modul für eine Photovoltaikanlage zurErhöhung der Arbeitsleistung mit geschlossenerBauweise.

Wetterschutzschicht (1)mechanische Entkopplung und Schutzschicht(2) der Zelle Photovoltaikzellschicht (3)Installation eines Peltierelements (4)thermische Isolationsschicht (5)Stabilisierungsschicht mit Latentwärmespei-cher (6) Peltierelement (7)Isolierung (8)Trägermaterial mit Latentwärmespeicher (9)

Abbildung 2: Modul für eine Photovoltaikanlage zurErhöhung der Arbeitsleistung mit offener Bauweise.

Wetterschutzschicht (1)mechanische Entkopplung und Schutzschicht(2) der ZellePhotovoltaikzellschicht (3)Installation eines Peltierelements (4)thermische Isolationsschicht (5)Stabilisierungsschicht mit Latentwärmespei-cher (6)Peltierelement (7)Isolierung (8)Trägermaterial mit Latentwärmespeicher (9)abschließendes Peltierelement eines Wärme-pfades (10)

Patentansprüche

1. Elektrische Anlage mit einer Schicht aus Solarzellenund einer auf einer dem Tageslicht zugewandtenSeite befindlichen Wetterschutzschicht (1),wobei an der Rückseite der Schicht aus Solarzellen(3) ein Modul aus mindestens einem Peltierelement(4, 7) und jeweils nachgeordnetem Latentwärme-speicher (6, 9), die von einer thermischen Isolations-schicht umgeben sind (5), angeordnet ist und dassdas Modul mit der Schicht aus Solarzellen (3) übereine Wärmeleitpaste in Kontakt gebracht ist.

2. Elektrische Anlage nach Anspruch 1, dadurch ge-kennzeichnet, dass der Latenttemperaturwert in-nerhalb der Anlage auf die jeweils durch die Spei-chermedien vorgegebenen Latentwärmepunkte an-steuerbar ist, so dass eine maximale elektrische En-

ergiemenge generierbar und abführbar ist.

3. Elektrische Anlage nach Anspruch 1-2, dadurch ge-kennzeichnet, dass das Modul aus Kaskaden vonzwei oder mehr Peltierelementen und jeweils nach-geordneten Latentwärmespeichern besteht.

4. Elektrische Anlage nach Anspruch 1-3 dadurch ge-kennzeichnet, dass das Modul eine geschlosseneoder offene Bauweise aufweist.

5. Elektrische Anlage nach Anspruch 4, dadurch ge-kennzeichnet, dass bei der offenen Bauweise dasModul am Ende des letzten Latentwärmespeichersein weiteres abschließendes Peltierelement (10)aufweist.

6. Elektrische Anlage nach Anspruch 1-5, dadurch ge-kennzeichnet, dass als Peltierelemente Silizium-Peltiers oder Peltiers aus anderen Halbleiterwerk-stoffen verwendet werden.

7. Elektrische Anlage nach Anspruch 1-6, dadurch ge-kennzeichnet, dass die Peltierelemente jeweils miteinem Latentwärmespeicher verbunden sind.

8. Elektrische Anlage nach Anspruch 1-7, dadurch ge-kennzeichnet, dass auf der Vorderseite der Zellestatt eines elektrisch leitenden Gitters eine transpa-rent leitende Schicht aus Titanoxid oder Zinkoxidaufgebracht ist.

9. Elektrische Anlage nach Anspruch 1-8, dadurch ge-kennzeichnet, dass die Peltierelemente mit den be-nachbarten Bauteilen über eine Wärmeleitpasteoder andere leitende Verbindungen in Kontakt ge-bracht werden.

10. Elektrische Anlage nach Anspruch 1-9, dadurch ge-kennzeichnet, dass als Trägermaterial für die Lat-entwärmespeicher Gips, Zementgemische oderKunststoffe verwendet werden, in deren Vernet-zungsebenen die Latentwärmespeicher eingelagertsind.

11. Elektrische Anlage nach Anspruch 1-10, dadurchgekennzeichnet, dass die Latentwärmespeicher jenach benötigtem Latentwärmepunkt aus Ölen, Was-sergemischen und/oder Salzen bestehen.

12. Elektrische Anlage nach Anspruch 3, dadurch ge-kennzeichnet, dass der erste Latentwärmespei-cher mit dem angeschlossenen Peltierelement ge-genüber dem zweiten Latentwärmespeicher unter-schiedlich dimensioniert ist.

13. Elektrische Anlage nach Anspruch 1-12, dadurchgekennzeichnet, dass für die Peltierelemente mit

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den nachgeordneten Latentwärmespeichern eineäußere Beschaltung erfolgt.

14. Elektrische Anlage nach Anspruch 1-13, dadurchgekennzeichnet, dass als Isolationsschicht Polyu-rethanschäume, Inertgasverkapselungen oder Va-kuumverkapselungen verwendet werden

Claims

1. Electrical system with a layer of solar cells and aweather protective layer (1) located at the side facingthe daylight, wherein on the back side of the layer ofsolar cells (3) a module of at least one peltier element(4, 7) and each with a downstream latent heat stor-age system, which are surrounded by a thermal in-sulation layer (5) is arranged and wherein the moduleis brought into contact with the layer of solar cellsvia a thermally conductive paste.

2. Electrical system according to claim 1, character-ized in that the latent temperature value within thesystem is triggerd to the latent heat points each pre-determined by the storage devices, so that a maxi-mum amount of electricity can be generated and dis-charged.

3. Electrical system according to claims 1-2, charac-terized in that the module is composed of cascadesof two or more peltier elements and each with down-stream latent heat storage systems.

4. Electrical system according to claims 1-3, charac-terized in that the module comprises a closed oropen construction.

5. Electrical system according to claim 4, character-ized in that module with the open construction com-prises a terminal peltier element at the end of thelast latent heat storage system.

6. Electrical system according to claims 1-5, charac-terized in that silicon peltiers or peltiers made ofother semiconductor materials are used as peltierelements.

7. Electrical system according to claims 1-6, charac-terized in that each of the peltier elements is con-nected with one latent heat storage system.

8. Electrical system according to claims 1-7, charac-terized in that the front side of the cell comprises atransparent conducting layer of titanium oxide or zincoxide instead of an electric conducting grid.

9. Electrical system according to claims 1-8, charac-terized in that the peltier elements are brought into

contact with neighboring components via a thermallyconductive paste or other conductive connections.

10. Electrical system according to claims 1-9, charac-terized in that gypsum, cement mixtures or plasticcomponents are used as carrier material for the la-tent heat storage systems, wherein the latent heatstorage systems are placed in their meshwork levels.

11. Electrical system according to claims 1-10, charac-terized in that the latent heat storage systems arecomposed of oils, water mixtures and/or salts de-pending on the required latent heat point.

12. Electrical system according to claim 3, character-ized in that the first latent heat storage system withthe associated peltier element is dimensioned differ-ently compared to the second latent heat storagesystem.

13. Electrical system according to claims 1-12, charac-terized in that an external circuit is used for the pel-tier elements with the downstream latent heat stor-age systems.

14. Electrical system according to claims 1-13, charac-terized in that polyurethane foams, inert gas encap-sulations or vacuum encapsulations are used as in-sulation layer.

Revendications

1. Installation électrique dotée d’une couche compo-sée de cellules solaires et d’une couche de protec-tion imperméable se trouvant sur un côté exposé àla lumière du jour (1),un module composé d’au moins un élément à effetPeltier (4, 7) et d’un régulateur thermique à change-ment d’état respectif placé en aval (6, 9) entourésd’une couche d’isolation thermique (5), étant placéà l’arrière de la couche composée de cellules solai-res (3) et le module étant mis en contact avec lacouche composée de cellules solaires (3) par unepâte thermoconductrice.

2. Installation électrique conformément à la revendica-tion n°1, caractérisée par le fait que la valeur ther-mique à changement d’état peut être commandéesur les points thermiques à changement d’état spé-cifiés par les fluides d’accumulation à l’intérieur del’installation, de telle manière à ce qu’une quantitéd’énergie électrique maximale puisse être généréeet évacuée.

3. Installation électrique conformément aux revendica-tions n°1 à n°2, caractérisée par le fait que le mo-dule se compose de cascades de deux éléments à

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effet Peltier ou plus et des régulateurs thermiques àchangement d’état respectivement placés en aval.

4. Installation électrique conformément aux revendica-tions n°1 à n°3, caractérisée par le fait que le mo-dule présente une construction fermée ou ouverte.

5. Installation électrique conformément à la revendica-tion n°4, caractérisée par le fait que, dans le casd’une construction ouverte, le module présente, àl’extrémité du dernier régulateur thermique à chan-gement d’état, un autre élément à effet Peltier (10)terminal.

6. Installation électrique conformément aux revendica-tions n°1 à n°5, caractérisée par le fait que, commeéléments à effet Peltier, des Peltiers de silicium oudes éléments à effet Peltiers constitués d’autres ma-tériaux semi-conducteurs sont utilisés.

7. Installation électrique conformément aux revendica-tions n°1 à n°6, caractérisée par le fait que chaqueélément à effet Peltier est relié à un régulateur ther-mique à changement d’état.

8. Installation électrique conformément aux revendica-tions n°1 à n°7, caractérisée par le fait que, à laplace d’un treillis électroconducteur, une coucheconductrice transparente composée d’oxyde de tita-ne ou d’oxyde de zinc est placée sur la face avantde la cellule.

9. Installation électrique conformément aux revendica-tions n°1 à n°8, caractérisée par le fait que les élé-ments à effet Peltier sont mis en contact avec lescomposants adjacents par une pâte thermoconduc-trice ou d’autres connexions conductrices.

10. Installation électrique conformément aux revendica-tions n°1 à n°9, caractérisée par le fait que, commematériau support pour les régulateurs thermiques àchangement d’état, du plâtre, des mélanges de ci-ment ou des matières plastiques sont utilisés, lesrégulateurs thermiques à changement d’état étantstockés dans les niveaux de réticulation de ces ma-tériaux supports.

11. Installation électrique conformément aux revendica-tions n°1 à n°10, caractérisée par le fait que lesrégulateurs thermiques à changement d’état secomposent, selon le point thermique à changementd’état requis, d’huiles, de mélanges d’eau et/ou desels.

12. Installation électrique conformément à la revendica-tion n°3, caractérisée par le fait que le premier ré-gulateur thermique à changement d’état avec l’élé-ment Peltier raccordé n’est pas dimensionné comme

le deuxième régulateur thermique à changementd’état.

13. Installation électrique conformément aux revendica-tions n°1 à n°12, caractérisée par le fait que, pourles éléments à effet Peltier avec les régulateurs ther-miques à changement d’état placés en aval, la con-nexion est extérieure.

14. Installation électrique conformément aux revendica-tions n°1 à n°13, caractérisée par le fait que, com-me couche isolante, on utilise des mousses en po-lyuréthane, des encapsulations de gaz inerte ousous vide.

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IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommenund ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; dasEPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente

• DE 212009000025 U1 [0003]• WO 2009135238 A2 [0003]• DE 102008009477 A1 [0008]• DE 102006023616 A1 [0010]

• DE 3735410 A1 [0011]• US 20030221717 A1 [0012]• DE 102008040028 A1 [0013]