Hitzeinseln mit Spezial Beton begegnen

Abkühlung von Photovoltaik-Modulen mit Beton und Spiegel

Wärme kann der Haltbarkeit von Photovoltaik Modulen und deren Leistungsfähigkeit zusetzen. Daher gibt es seit jeher Bestrebungen Photoelektrische Solar Zellen zu kühlen.
Die Reduzierung der Betriebstemperatur ist eine zentrale Herausforderung in der Solarzellentechnologie. Eine niedrigere Temperatur erhöht nicht nur den Leistungsumwandlungswirkungsgrad um etwa 0,5%/K in siliziumbasierten Geräten (Skoplaki und Palyvos, 2009), verlängert aber auch die Systemlebensdauer um etwa 2x /10 K (Dupré et al., 2017).  Es gibt dazu verschiedenste Ansätze das Glas, die Zelle und jetzt die Rückseite zu kühlen. Was mich besonders an dem hier vorgestellten Konzept interessiert, ist die Adaption für Fassaden und Straßen.

Ein dünner Spiegel unter eine zementhaltige Wärmepaste kann durch erhöhte Abstrahlung Oberflächen und ganze Viertel aktiv kühlen. 

via pv magazin Forscher am Politecnico di Torino in Italien haben ein Kühlsystem für Photovoltaikmodule entwickelt, das nutzt Strahlungskühler auf Basis zementhaltiger Materialien. Diese Kühler werden häufig für das Wärmemanagement in Gebäuden eingesetzt und haben aufgrund der geringen Kosten der Betonmaterialien, aus denen sie hergestellt werden, großes Potenzial.

Strahlungskühlung tritt auf, wenn die Oberfläche eines Objekts weniger Strahlung aus der Atmosphäre absorbiert und mehr emittiert. Dadurch verliert die Oberfläche Wärme und es kann ein Kühleffekt erzielt werden, ohne dass Strom benötigt wird.

„Unsere Arbeit zielte darauf ab, die thermodynamische Grenze der Strahlungskühler zu bestimmen“, Forscher Matteo Cagnoni erzählte pv magazine. „Um diese Grenze festzulegen, haben wir die verschiedenen Bedingungen des Energieaustauschs zwischen der Solarzelle, dem Kühler auf Zementbasis, der Atmosphäre und der Sonne berücksichtigt, was es uns ermöglicht, die maximale Temperaturreduzierung zu bestimmen, die durch die thermische Kopplung zwischen ihnen hervorgerufen wird.“ Zelle und dem Betonuntergrund.“

Das experimentell simulierte System besteht aus einem Stapel aus einem Reflektor, einem Strahlungskühler auf Zementbasis und einer bifazialen Solarzelle.

„Diese Struktur könnte beispielsweise durch den Aufbau einer Dünnschichtsolarzelle auf einem zementbasierten Substrat durch Sputtern, Verdampfen oder Lösungsabscheidungstechniken realisiert werden“, erklärten die Wissenschaftler und stellten fest, dass die Solarzelle und der Strahlungskühler thermisch gekoppelt sind für beide Seiten transparent.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Kühltechnik die Betriebstemperatur von Solarzellen auf Siliziumbasis um bis zu 20 Kelvin (K) senken könnte, was letztendlich zu Effizienzsteigerungen von etwa 9 % und einer Verlängerung der Modullebensdauer um etwa 400 % führen könnte.

„Wir erwarten, dass diese Lösung für den Markt sehr attraktiv sein wird, insbesondere wenn man gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) in Betracht zieht“, sagte Cagnoni. „Man könnte zum Beispiel versuchen, das theoretische System als an einen Dachziegel gekoppelte Solarzelle umzusetzen. Die Kosten dieser Lösung dürften nur geringfügig höher sein als die Kosten des Photovoltaikmoduls selbst, da zementgebundene Materialien sehr günstig, hoch skalierbar und robust sind.“

„Zum Beispiel könnte eine Temperatursenkung um 20 °C zu einer Effizienzsteigerung von bis zu 9 % bei Silizium-Solarzellen und einer bis zu vierfachen Verlängerung der Lebensdauer führen“, erklärte Cagnoni. „Natürlich sind das theoretische Obergrenzen, aber sie legen nahe, dass auch in den realen physischen Geräten deutliche Gewinne erreichbar sind.“

Die italienische Gruppe beschrieb die neue Kühltechnik in „Zementhaltige Materialien als vielversprechende Strahlungskühler für Solarzellen“, das kürzlich in Science veröffentlicht.

„Diese Arbeiten können einen Ansatzpunkt für die praktische Umsetzung unseres attraktiven Konzepts darstellen und den Weg zu effizienteren Photovoltaikanlagen ebnen“, so das Fazit der Gruppe.