TEIL C

Entwicklung der photovoltaischen Nutzung 2020 (a)

 

In dieser Jahresübersicht liegt der Schwerpunkt bei der passiven und aktiven Kühlung von PV-Paneelen, denn diese sind Halbleiterelektronik, die im Allgemeinen am zuverlässigsten und effizientesten funktioniert, wenn sie kühl ist. So gibt es eine klare Temperatur-Leistungs-Kurve für Solarmodule: sinkt die Temperatur, steigt die Leistung. Bei jedem Grad Temperaturanstieg ist hingegen ein Verlust der Energieeffizienz um 0,4 - 0,5 % zu verzeichnen.

Doch gerade in trockenen und halbtrockenen Regionen, in denen Sonnenenergie am effektivsten genutzt werden kann, leiden PV-Paneele tagsüber unter einem Überhitzungsproblem, da sie in diesen Gebieten bis zu 40°C heißer werden können als die Umgebungsluft. Zudem ist Kühlwasser hier eine knappe Ressource, eine konstante Versorgung ist kaum zu gewährleisten, und die Kosten für Wassertanks, Pumpen und Rohre mindern die wirtschaftliche Rentabilität. Darüber hinaus verkürzen diese hohen Temperaturen die Lebensdauer der Module.

Es gibt also mehrere Motive, um neuartige Kühlmethoden für PV-Paneele zu entwickeln, und angesichts des schnellen Wachstums der PV-Installationskapazität ist eine Lösung dringend erforderlich.

Zu Beginn soll eine vorläufige Auflistung der zwischen 2015 und 2020 veröffentlichten Studien vorgelegt werden, um einen Eindruck davon zu vermitteln, wie viel überhaupt, wo in welchen Ländern, und an was für PV-Kühlmethoden geforscht wird. Wobei das Thema eindeutig ein Tummelplatz für Wissenschaftler ist und stets neue Forschungsaufträge verspricht, obwohl sich die resultierende Verbesserung beim Wirkungsgrad auf nur wenige Prozentpunkte beschränkt.

2015

• Januar: ,A novel multi-layer manifold microchannel cooling system for concentrating photovoltaic cells’, Lanzhou University of Technology in China.
• März: ,Using phase change materials in photovoltaic systems for thermal regulation and electrical efficiency improvement: A review and outlook’, Shanghai Jiao Tong University in China.
• Juli: ,An experimental study on using natural vaporization for cooling of a photovoltaic solar cell’, Razi University im Iran (die Temperatur der PV-Zelle sinkt um 7 - 16°C).
• September: ,A comparative study on using single and multi header microchannels in a hybrid PV cell cooling’, Razi University.
• Oktober: ,Experimental demonstration of enhanced solar energy utilization in flat PV modules cooled by heat spreaders in conjunction with cotton wick structures’, Anna University in Indien.
• November: ,Indoor Test Performance of PV Panel through Water Cooling Method’, University Malaysia Perlis (UniMAP).

 

2016

• Januar: ,Water spray cooling technique applied on a photovoltaic panel: The performance response’, University of Split in Kroatien (Senkung der Paneel-Temperatur von durchschnittlich 54°C auf 24°C).
• Mai: ,Technical feasibility study of passive and active cooling for concentrator PV in harsh environment’, University of Birmingham und Jubail Technical Institute in Saudi-Arabien (Fähigkeit, die Oberflächentemperatur der Solarzelle bei etwa 60°C zu halten).
• Oktober: ,Experimental performance evaluation and modeling of jet impingement cooling for thermal management of photovoltaics’, King Fahd University of Petroleum and Minerals in Saudi-Arabien (Zellentemperatur sinkt von 69,7°C auf 36,6°C).
• November: ,Global advancement of cooling technologies for PV systems: A review’, University of Malaya in Malaysia (Senkung der Temperatur passiv im Bereich von 6 - 20°C, aktiv bis zu 30°C).
• November: ,Increasing the efficiency of PV panel with the use of PCM’, University of Ljubljana in Slowenien.
• Dezember: ,Experimental study of phase change materials for photovoltaic modules: Energy performance and economic yield for the EPEX spot market’, Universität Paderborn
• Dezember: ,Heat transfer studies of photovoltaic panel coupled with phase change material’, Rajiv Gandhi Institute of Petroleum Technology in Indien.
• Dezember: ,Analysis of Water Cooling of CPV Cells Mounted on Absorber Tube of a Parabolic Trough Collector’, Birla Institute of Technology and Science in Indien.

 

2017

• Januar: ,Cooling design and evaluation for photovoltaic cells within constrained space in a CPV/CSP hybrid solar system’, University of Missouri und Sharp Laboratories of America Senkung der Temperatur unter die Zieltemperatur von 75°C).
• Februar: ,Cooling methodologies of photovoltaic module for enhancing electrical efficiency: A review’, Rajiv Gandhi Institute of Petroleum Technology in Indien.
• März: ,Numerical study on mixed convection cooling of solar cells with nanofluid’, Shahrekord University im Iran.
• März: ,Evaluating the environmental parameters affecting the performance of photovoltaic thermal system using nanofluid’, University of Tehran.
• März: ,Experimental study on direct-contact liquid film cooling simulated dense-array solar cells in high concentrating photovoltaic system’, Tianjin University in China.
• April: ,Yearly energy performance of a photovoltaic-phase change material (PV-PCM) system in hot climate’, United Arab Emirates University, VAE (Senkung der Spitzentemperatur im Jahresdurchschnitt um 10, °C).
• Mai: ,Performance study of water-cooled multiple-channel heat sinks in the application of ultra-high concentrator photovoltaic system’, Universiti Tunku Abdul Rahman in Malaysia.
• Juni: ,Review of cooling techniques using phase change materials for enhancing efficiency of photovoltaic power systems’, National Institute of Technology in Indien.
• Juli: ,Photovoltaic module temperature stabilization with the use of phase change materials’, Gdansk University of Technology in Polen.
• Juli: ,Improving the performance of photovoltaic cells using pure and combined phase change materials – Experiments and transient energy balance’, Lebanese International University in Beirut.
• Juli: ,Effects of forced convection on the performance of a photovoltaic thermal system: An experimental study’, University of Tehran.
• August: ,Performance analysis of tilted photovoltaic system integrated with phase change material under varying operating conditions’, University of Exeter in England (Senkung der Temperatur um 19°C ).
• Oktober: ,Experimental investigation of water based photovoltaic/thermal (PV/T) system with and without phase change material (PCM)’, Beant College of Engineering and Technology in Indien.
• Oktober: ,Thermal energy storage with phase change materials to increase the efficiency of solar photovoltaic modules’, Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology und Advanced Materials IFAM & Qatar Environment and Energy Research Institute (QEERI).
• Oktober: ,Photovoltaic Evaporative Chimney as a new alternative to enhance solar cooling’, Universidad Miguel Hernández in Spanien.
• Oktober: ,Cooled solar PV panels for output energy efficiency optimisation’, University of Bedfordshirein England.

 

2018

• Februar: ,Water and phase change material based photovoltaic thermal management systems: A review’, Beant College of Engineering and Technology in Indien.
• April: ,Numerical analysis of a multi-channel active cooling system for densely packed concentrating photovoltaic cells’, Harbin Institute of Technology in China.
• Mai: ,Numerical investigation of the effects of a copper foam filled with phase change materials in a water-cooled photovoltaic/thermal system’, University of Tehran.
• Juni: ,Climatic behaviour of solar photovoltaic integrated with phase change material’, University of Exter in England.
• Juli: ,Thermoelectric Cooling of a Photovoltaic Panel’, Shiraz University im Iran & KTH Royal Institute of Technology in Schweden.
• September: ,Enhancement of the cooling capability of a high concentration photovoltaic system using microchannels with forward triangular ribs on sidewalls’, Pontificia Universidad Católica de Chile.
• November: ,Enhanced power generation through cooling a semi-transparent PV power plant with a solar chimney’, University of Tabriz im Iran (Temperatursenkung um bis zu 38°C).
• Dezember: ,Numerical simulation of PV cooling by using single turn pulsating heat pipe’, University of Tehran.
• Dezember: ,Experimental study on cooling performance of solar cells with atmospheric plate thermosyphon’, Tianjin University in China.

 

2019

• Januar: ,Fin-cooled photovoltaic module modeling – Performances mapping and electric efficiency assessment under real operating conditions’, University of L’Aquila in Italien.
• Februar: ,Investigating the Performance Improvement of a Photovoltaic System in a Tropical Climate using Water Cooling Method’, Universiti Tunku Abdul Rahman in Malaysia.
• Mai: ,Thermal management of concentrator photovoltaic systems using new configurations of phase change material heat sinks', Egypt-Japan University of Science and Technology (E-JUST) und Benha University in Ägypten (Spitzentemperatur der Zelle sinkt von 92°C auf 74°C).
• Juli: ,Experimental study and performance analysis on solar photovoltaic panel integrated with phase change material’, Shanghai Jiao Tong University in China (Temperatursenkung um etwa 23°C).
• Oktober: ,A Self-Assembled 2D Thermofunctional Material for Radiative Cooling’, Universidad Autónoma de Barcelona in Spanien.
• Oktober: ,Improving Performance of a Photovoltaic Panel by Pin Fins: A Theoretical Analysis’, Sharif University of Technology, der Amirkabir University of Technology sowie der Shiraz University im Iran.
• November: ,The performance of a buried heat exchanger system for PV panel cooling under elevated air temperatures’, Port-Said University in Ägypten.

 

2020

• Januar: ,Analysis and optimization of passive cooling approach for free-standing photovoltaic panel: Introduction of slits’, University of Split in Kroatien.
• Februar: ,Using CaCl₂·₆H₂O as a phase change material for thermo-regulation and enhancing photovoltaic panels’ conversion efficiency: Experimental study and TRNSYS validation’, University of Tehran (Reduzierte PV-Oberflächentemperatur um maximal 38 %).
• März: ,Potential of water natural circulation coupled with nano-enhanced PCM for PV module cooling’, Razi University im Iran.
• April: ,A hybrid solar chimney/photovoltaic thermal system for direct electric power production and water distillation’, Jordan University of Science and Technology.
• Juni: ,Experimental performance analysis of two different passive cooling techniques for solar photovoltaic installations', Mirpur University of Science and Technology (MUST) in Pakistan (Verringerung der Modultemperatur um 10,6 % und Erhöhung des Modulwirkungsgrads um 14,5 %).
• Juni: ,The Effect of Fins Number Variation on Aluminum Heat Sink to the Photovoltaic Performance’, Sebelas Maret University und der Panca Marga University in Indonesien.
• Juni: ,Experimental performance analysis of two different passive cooling techniques for solar photovoltaic installations’, Mirpur University of Science and Technology (MUST) in Pakistan.
• Juli: ,Energy and exergy analysis of a PV module cooled by an active cooling approach’, University of Tehran & Shahrood University of Technology im Iran & Duy Tan University in Vietnam.
• August: ,A Review on Recent Development of Cooling Technologies for Photovoltaic Modules’, Harbin Institute of Technology in China & University College London.
• September: ,Efficiency improvement of the solar PV-system using nanofluid and developed inverter topology', Aligarh Muslim University in Indien und Universiti Teknologi Malaysia.
• November: ,Experimental investigation on cooling the photovoltaic panel using hybrid nanofluids’, Tanta University & KPR Institute of Engineering and Technology & B. S. Abdur Rahman Crescent Institute of Science and Technology in Indien & Duy Tan University in Vietnam.
• November: ,Role of PCM in Solar Photovoltaic Cooling: An Overview’, Kalinga Institute of Industrial Technology in Indien.

Nach dieser Überfülle an Theorie und Analyse - die keinesfalls vollständig ist - soll es im Folgenden mehr um praktische Versuche und tatsächliche Umsetzungen gehen, die bislang aber noch sehr selten sind.

Im März 2020 berichten die Fachblogs, daß der französische Installateur von PV-Anlagen Sunbooster eine Kühltechnologie für Solarmodule auf Wasserbasis entwickelt hat, die die Stromerzeugung einer PV-Anlage um 8 - 12 % steigern kann. Die Wassersprühtechnik, die sowohl für Dachanlagen als auch für Freiflächenanlagen geeignet ist, verwendet gespeichertes, kalkfreies Regenwasser sowie ein patentiertes, UV-beständiges Rohr mit einer Reihe von sehr kleinen Löchern, das am oberen Rand der Module installiert ist, um einen dünnen Wasserfilm auf der Glasoberfläche der Module zu verteilen.

Ursprünglich hatte das 2010 von Grégory Boutteau, Pierrick Morier und François Piot gegründete und in Artigues-près-Bordeaux ansässige Unternehmen mit einer Wasserverdampfungslösung experimentiert, die jedoch zu thermischen Schocks für das PV-System führte. Außerdem hatten die von diesem Kühlsystem erzeugten Tropfen einen negativen Einfluß auf die Absorption des Sonnenlichts. Nach der kommerziellen Einführung der Wassersprühtechnik im Jahr 2018 bekommt die Firma im Mai 2019 eine Startfinanzierung in Höhe von 1 Mio. € von Expanso Capital, der Investitionstochter der Caisse d’Epargne Aquitaine Poitou-Charentes.

Das aktuell vorgestellte System wird durch einen Sensor in Gang gesetzt, sobald die Umgebungstemperatur 25°C übersteigt. Dann fließt das Wasser in laminarer Strömung auf der Glasoberfläche der Paneele herunter und kühlt und reinigt die Zellen, bevor es an der Unterseite der Solarpaneele gesammelt und in einem geschlossenen Kreislauf zurückgeführt wird. Zwar hat das Wasser einen gewissen Einfluß auf die Lichtabsorption der Module, was aber durch die höhere Energieproduktion der Paneele von etwa 10 %, die durch die Verhinderung von Temperaturen über 30°C erzielt werden kann, vollständig kompensiert wird, wie die Firma behauptet.

Die Sunbooster-Technologie, die bei PV-Kraftwerken mit den unterschiedlichsten Neigungswinkeln eingesetzt werden kann, kostet derzeit fast 250.000 €/MW, da die Systeme mit Regenwassersammlern, Filtern zur Entfernung von Schwebstoffen, Umwälzpumpen und einem flexiblen Tank mit großem Fassungsvermögen ausgestattet werden müssen. Für eine 1 MW PV-Anlage sind etwa 2,5 km Rohrleitungen erforderlich. Das Unternehmen rechnet jedoch damit, diesen Preis innerhalb der nächsten zwei Jahre auf 100.000 - 150.000 €/MW senken zu können.

Bislang wurde die Technologie der Firma zufolge nur an großen Anlagen eingesetzt, die Landwirten und Industrieunternehmen gehören und durch kostenausgleichende Anreize unterstützt wurden. Es wird behauptet, daß bereits ein Dutzend Systeme bei PV-Anlagen von 100 - 1.000 kW in Betrieb sind, genaue Referenzen werden allerdings nicht genannt.

Im Oktober 2020 folgt eine weitere, nicht näher bezifferte Finanzierungssumme, und im Dezember 2021 erhält die Sunbooster einen Betrag von 4,7 Mio. € von drei Investoren. Neben dem bisherigen Finanzier Expanso Capital sind dies die Aquiti Gestion, ein Akteur im Bereich privates Beteiligungskapital in der Region Nouvelle-Aquitaine, sowie Alter Equity3P II, der französische Pionier des Impact Investing.

Von nun an werden die Kühlsysteme in der Anlage von Sunbooster in Carbon-Blanc im Südwesten Frankreichs vorbereitet und vormontiert, was die Installationsverfahren und -zeiten verbessert. Außerdem wird eine Schneeräumungsoption angeboten.

Im April 2023 wird die Firma - das derzeit einzige französische Unternehmen, das eine Technologie anbietet, die durch die Verwendung von Regenwasser eine Wärmeschutzbarriere für Solarmodule schafft - für einen ungenannten Betrag von dem Unternehmen für erneuerbare Energien VOLTA Entreprises in Paris übernommen, das von Morier geleitet wird.

Die französische Sunbooster hat nichts mit der SUNBOOSTER GmbH (zuvor: Sunnybag GmbH) aus Graz zu tun.

Ein weiteres französisches Unternehmen namens SUNiBrain sas in Colomiers setzte übrigens schon Anfang 2015 auf die Wasserzerstäubung, bei der der Wasserverbrauch aber höher ist, da das Wasser verdunstet, um die Wärme abzuleiten. Dank einer automatischen Steuerung nebelt das System die Paneele deshalb nur bei Hitzespitzen ein, wobei recyceltes Regenwasser verwendet wird. Das Gerät war das Ergebnis einer vierjährigen Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Die Firma ist inzwischen aber nicht mehr existent.

Andere französische Unternehmen bieten Hybridpaneele an, die überschüssige Wärme unterseitig abführen, um sie in Wärmepumpen oder Warmwasserbereitern zu nutzen, wie DualSun oder Base - wobei hier die Wärmenutzung im Vordergrund steht und das Thema Kühlung nur peripher erwähnt wird.

Im Mai 2020 melden Forscher der University of Maryland (UMD) um Peng Wang und Liangbing Hu, daß sie ein Hydrogel entwickelt haben, das der Umgebungsluft in der Nacht Feuchtigkeit entzieht und den gesammelten Wasserdampf während des Tages wieder abgibt. Unter die Solarmodule geklebt, entzieht ihnen das Gel während des Verdampfens die Hitze. Die Methode wird als einfacher, eleganter und effektiver Weg beschrieben, bestehende Solarzellen mit sofortiger Effizienzsteigerung auszustatten (,Photovoltaic panel cooling by atmospheric water sorption-evaporation cycle’).

Wang hatte mit seiner Forschungsgruppe im Jahr 2017 begonnen, mit der sorptionsbasierten atmosphärischen Wassergewinnung (AWH) zu arbeiten, da Wasser von allen Flüssigkeiten bei Raumtemperatur die höchste latente Verdampfungswärme hat. Außerdem kann die Verdunstung von Wasser einer Oberfläche schneller Wärme entziehen, als die passive Wärme an die Luft abgegeben wird. Bei dem AWH-Verfahren dringt atmosphärischer Wasserdampf passiv in ein Wasserdampf-Sorptionsmittel ein und bildet flüssiges Wasser, wenn die Temperatur sinkt. In der Jahresübersicht 2015 habe ich ausführlich über solargestützte AWH-Systeme berichtet.

Nachdem die Gruppe mit verschiedenen AWH-Prozessen gearbeitet hatte, wird ab 2018 die Idee verfolgt, atmosphärischen Wasserdampf nachts mit einem Sorptionsmittel zu ernten und ihn am nächsten Tag als flüssiges Wasser zur Kühlung von PV-Paneelen zu verwenden. Das daraufhin entwickelte Hydrogel besteht aus einer Mischung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einem Polymer und einem wasseranziehenden Kalziumchlorid-Salz. Es ist zwar durch Regenwasser angreifbar, aufgrund seiner Position an der Paneele-Unterseite aber weitestgehend geschützt. Zudem wird an einem verbesserten, wasserfesten Gel gearbeitet.

Bereits der erste Prototyp liefert unter Laborbedingungen eine durchschnittliche Kühlleistung von 295 W/m² und senkt die PV-Temperatur bei einer Sonneneinstrahlung von 1,0 kW/m² um mindestens 10°C, wobei ihre Effizienz im Schnitt um 15 % steigt. In Freilandversuchen, die sowohl im Winter als auch im Sommer an der King Abdullah University of Science & Technology (KAUST) in Saudi-Arabien durchgeführt werden, kann bei optimalen Bedingungen mit leichtem Wind die Stromerzeugung mit einem handelsüblichen PV-Paneel um 13 - 19 % gesteigert werden.

Wie viel Gel erforderlich ist, hängt dabei von der Luftfeuchtigkeit ab. So werden bei Tests in sehr trockenen Wüstengegenden mit einer Luftfeuchtigkeit von 35 % etwa 1 kg des Gels benötigt, um einen Quadratmeter eines Standard-Silizium-Solarmoduls mit einer 1 cm dicken Gel-Schicht effektiv zu kühlen, während in Gegenden mit bis zu 80 % Luftfeuchtigkeit 300 g ausreichen. Eine der positiven Eigenschaften des Gels ist seine Fähigkeit, an zahlreichen Oberflächen zu haften.

Die Autoren weisen darauf hin, daß in der kurzen Zeit, in welcher ihr Manuskript geprüft und für die Veröffentlichung überarbeitet wurde, drei Artikel über AWH-unterstützte Kühlung für verschiedene Anwendungen veröffentlicht wurden. So im Januar 2020 ,Autonomic perspiration in 3D-printed hydrogel actuators’ (Cornell University & Istituto Italiano di Technologia in Pisa) und im Februar ,A Thermal Management Strategy for Electronic Devices Based on Moisture Sorption-Desorption Processes’ (Shanghai Jiao Tong University) sowie ,Promoting Energy Efficiency via a Self-Adaptive Evaporative Cooling Hydrogel’ (Wuhan University & University of California, Los Angeles). Hydrogele zur PV-Kühlung werden uns weiter unten noch mehrfach begegnen.

Die nächste Veröffentlichung der KAUST vom März 2021 unter dem Titel ,Heat generation and mitigation in silicon solar cells and modules’ untersucht u.a. die Ursachen für die Erwärmung von Solarzellen und -modulen, wobei der Schwerpunkt auf kristallinem Silizium liegt, das gegenwärtig den Markt dominiert. Auch dieser Text ist im Netz vollständig einsehbar.

Um die Rolle der Wärme bei der Messung der Leistung von PV-Modulen und sogar bei der Berechnung der Wirtschaftlichkeit eines Solarkraftwerks besser berücksichtigen zu können, entwickeln die Wissenschaftler um Lujia Xu und Stefaan De Wolf ein Modell, das den Gewinn aus der Temperaturreduzierung in einen entsprechenden Wirkungsgrad umrechnet. Die Ergebnisse zeigen, daß eine Senkung der Modultemperatur um etwa 3°c die gleichen Verbesserungen bei den Stromgestehungskosten bewirken kann wie eine Steigerung des Modulwirkungsgrads um 1 %.

Darüber hinaus ergeben die Berechnungen, daß eine Senkung der Modultemperatur dessen Lebensdauer erheblich verlängern kann. Eine Verringerung um 4°C würde die Zeit bis zum Ausfall des Moduls um mehr als 50 % verbessern, eine Verringerung um 7°C sogar um mehr als 100 %. Beim Vergleich verschiedener PV-Technologien und Installationsumgebungen stellt die Gruppe fest, daß die Modultemperatur am besten durch die Wahl eines Standorts mit viel Wind und durch ein Montagesystem gesenkt werden kann, das die Wärmeübertragung durch Konvektion ermöglicht.

Im Juni 2020 erscheint an der Multimedia University (MMU) in Malysia eine Studie mit dem Titel ,A new approach for photovoltaic module cooling technique evaluation and comparison using the temperature dependent photovoltaic power ratio’, deren Ergebnisse den Vergleich zwischen verschiedenen PV-Kühltechniken einfacher machen sollen.

Die in der Studie aufgeführten Kühltechniken sind: parallele Rohre, Plattenwärmetauscher, Ellipsenströmungsdesign, Roll-Bond-Absorber aus Aluminium, PV-Kühler mit Wärmerohr, rechteckige Rohre in Reihe, direktes Strömungsdesign, mehrfaches Serpentinenströmungsdesign, Spiralströmungsdesign, parallele Plattenkanäle, rechteckiges Rohrdesign, einfaches Serpentinenströmungsdesign, Wassererhitzer sowie PV-Kühler mit Phasenwechselmaterial.

Im Oktober folgt eine weitere Studie der MMU, die diesmal  gemeinsam mit dem Maulana Azad National Institute of Technology in Indien sowie der South Ural State University in Russland verfaßt worden ist und den Titel ,Advanced cooling techniques of P.V. modules: A state of art’ trägt. Der empfehlenswerte Artikel ist im Netz vollständig einsehbar.

Neben einer Klassifizierung werden aktive Techniken wie Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung, erzwungene Wasserzirkulation, Flüssigkeitstauchkühlung und Wasserbesprühung sowie passive Methoden wie Kühlung durch Phasenwechselmaterialien, Wärmerohre, Wärmesenken oder -lamellen und Wärmetauscher, Mikrokanal-Wärmetauscher, Strahlungskühlung am Himmel, Kühlung auf der Grundlage von Nanofluiden, thermoelektrische Kühlung, Verdunstungskühlung und Spektralfilterkühlung vorgestellt.

Außerdem wird eine kurze Reihe von hybriden, konzeptübergreifenden Kühlsystemen beschrieben, die sich derzeit in der Entwicklung befinden.

Im Juli 2020 veröffentlicht die Egypt-Japan University of Science and Technology (E-JUST) einen Bericht mit dem Titel ,An experimental work on the impact of new combinations of solar chimney, photovoltaic and geothermal air tube on building cooling and ventilation’, und im September folgt der Bericht ,Feasibility of water-cooled photovoltaic panels under the efficiency and durability aspects’ von Seiten der Federal University of Santa Maria (UFSM) in Brasilien.

Im Dezember 2020 erscheint der Bericht eines Teams der Purdue University, das darin ein CPV-System mit integrierter Strahlungskühlung demonstriert, das mit einer niedrigeren Temperatur und einer höheren Leerlaufspannung arbeiten kann als die bislang bekannten CPV-Geräte (Concentrating Photovoltaics, CPV) auf der Basis von Galliumantimonid-Solarzellen (GaSb).

Konzentrierende Photovoltaik zielt darauf ab, das Sonnenlicht auf die Solarzellen zu bündeln, um den Wirkungsgrad zu verbessern und die Materialkosten zu senken. Die Konzentration erhöht jedoch auch die Erwärmung der Solarzellen, was die Effizienzverbesserungen möglicherweise zunichte macht und die Lebensdauer des Systems verkürzt. Während eine aktive forcierte Luft- und Flüssigkeitskühlung jedoch die Kosten erhöht, ist die Strahlungskühlung kostengünstig, leicht und erfordert keine zusätzliche Energie.

In ihrem Bericht ,Lightweight, Passive Radiative Cooling to Enhance Concentrating Photovoltaics’ beschreiben die Wissenschaftler ihr Experiment, bei dem sie durch die etwas kompliziert wirkende Kopplung von Strahlungskühlern auf einer flachen Wärmesenke die Betriebstemperatur der Solarzelle in einem passiv gekühlten CPV-System um mindestens 5°C bis maximal 36°C senken. Außerdem prognostizieren sie den CPV-Zellen eine Verlängerung der Lebensdauer um das 4- bis 15-fache.

Mit ihrem Prototyp, bei dem auf beiden Seiten des Kühlkörpers des CPV-Systems zwei Strahlungskühler aus Kalk-Natron-Glas angebracht sind, testen die Forscher drei verschiedene Kühlstrukturen unter verschiedenen Windgeschwindigkeiten und solaren Wärmelasten.

Der Test wird auf einer Meßplattform durchgeführt, die aus drei Kammern besteht, welche mit Fresnellinsen mit einem Durchmesser von 15 cm und Aluminiumspiegeln ausgestattet sind. In der ersten Kammer befindet sich das CPV-Gerät mit den Kühlern, in einer zweiten Kammer ein identisches System ohne Kühltechnik, während die dritte Kammer nur über einen Wärmeleistungssensor zur Überwachung der einfallenden Sonnenenergie verfügt.

Die erste Kammer hat eine geschlossene Struktur mit Folien aus Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) und spiegelt die Arbeitsbedingungen von CPV bei Windstille wider, da die LDPE-Folie die direkte Konvektion von der Wärmesenke zur Umgebungsluft unterbrechen kann. Die zweite Kammer hat hingegen eine offene Struktur.

Französische Wissenschaftler der Université de Lyon um Jérémy Dumoulin berichten im März 2021 von einer passiven Strahlungskühlung des Himmels (Radiative Sky Cooling, RSC), um die Temperatur von PV-Modulen um 10°C zu senken und damit die Leistung der Geräte um mehr als 5 W/m² zu erhöhen. RSC tritt auf, wenn die Oberfläche eines Objekts weniger Strahlung aus der Atmosphäre absorbiert und mehr emittiert. Infolgedessen verliert die Oberfläche Wärme an den Weltraum, und es kann ein Kühleffekt erzielt werden, ohne daß Energie benötigt wird.

Bislang wurde die vorgeschlagene Technik nur mit einem thermischen und elektrischen Modell zur Messung von Zelltemperatur und -ertrag simuliert, um zunächst das zu erreichende Wärmeemissionsprofil und dessen potentiellen Nutzen zu ermitteln. Es ist aber geplant, in Zukunft auch praktische Tests sowohl an Zellen als auch an Modulen durchzuführen.

In den Bericht ,Radiative sky cooling of solar cells: fundamental modelling and cooling potential of single-junction devices’ wird betont, daß PV-Systeme von Natur aus gute Kandidaten für RSC-Techniken sind, die die Transparenz der Erdatmosphäre im Bereich von 8 - 13 µm nutzen, um die Strahlungswärmeübertragung zu verbessern. Zudem kann die Technik schon bei der Herstellung von Modulen eingesetzt werden, indem die optischen Eigenschaften der Glasabdeckung verändert werden. Und auch die RSC selbst könnte durch Veränderung der optischen Eigenschaften der Zellen bis zu einem gewissen Grad verbessert werden.

Ein weiteres Einsatzfeld der Strahlungskühlung ist der Bereich Cool Roof im urbanen Sektor, der ausführlich in einem eigenen Kapitelteil dokumentiert wird (s.d.).

Ebenfalls im März erscheint die Studie ,Modeling and assessment of the thermo-electrical performance of a photovoltaic-thermal (PVT) system using different nanofluids’, veröffentlicht von der Jamia Millia Islamia und der School of Engineering and Technology in Indien, in der über die thermo-elektrische und exergetische Effizienz eines hybriden PVT-Kollektors berichtet wird, der mit reinem Wasser, mit Kupfer/Wasser- bzw. Aluminiumoxid (Al2O3)/Wasser-Nanofluiden gekühlt wird.

Die Studie zeigt eine bessere PVT-Leistung mit Cu/Wasser-Nanofluid im Vergleich zu Aluminiumoxid/Wasser-Nanofluid bzw. zu reinem Wasser. Eine Volumenkonzentration von lediglich 2 % an Cu-Nanopartikeln führt zu einer Verbesserung der durchschnittlichen elektrischen und thermischen Wirkungsgrade um 4,98 % bzw. 5,23 %.

Die nächste Veröffentlichung im April stammt von der Jordan University of Science and Technology und des Australian College of Kuwait und trägt den Titel ,Thermal cooling of photovoltaic panels using porous material’.

Die beiden Forscher Suhil M. Kiwan und Ali Mahmoud Khlefat beschreiben darin eine neue passive Kühltechnik für Solarmodule, die auf der Verwendung eines offenen Kanals basiert, der teilweise mit einem isotropen porösen Material mit konstanten thermophysikalischen Eigenschaften gefüllt ist und auf der Rückseite der Module angebracht wird. Der Hauptzweck der Verwendung von porösem Material ist die Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche durch Erhöhung der Feststoff-Fluid-Wechselwirkung. Auch diese Untersuchung basiert auf einer Simulation und ist unter dem Titel ,Thermal cooling of photovoltaic panels using porous material’ im Netz einsehbar.

Eine weitere Veröffentlichung im April trägt den Titel ,Impact on the Performance of Solar Photovoltaic System with the Innovative Cooling Techniques’ faßt die jüngsten Trends bei den PV-Kühltechniken zusammen und erörtert auch die Auswirkungen der innovativen Kühltechnik auf die Leistung von PV-Solarmodulen durch die Kombination von PCM und thermoelektrischen Generatoren (TEGs).

Die Autoren stammen der Faculty of Engineering and Technology Jain, dem Karpaga Vinayaga College of Engineering and Technology, der Indus University, der Saveetha School of Engineering sowie dem VNR Vignana Jyothi Institute of Engineering and Technology, alle in Indien.

Im August folgt ein interessanter Bericht von Wissenschaftlern der University of California-Davis, der britischen Lancaster University sowie der Ludong University in China mit Forschungsergebnissen, die zeigen, daß große Solaranlagen nicht nur auf dem von der Anlage bedeckten Land, sondern auch in der Umgebung eine kühlende Wirkung haben können. Der im Netz einsehbare Bericht trägt den Titel ,Ground-mounted photovoltaic solar parks promote land surface cool islands in arid ecosystems’.

Die Studien über zwei Solarparks - das 300 MW Stateline-Projekt in Kalifornien und das 850 MW Longyangxia-Projekt in China - werden unter Verwendung von Landsat-Satellitenbildern durchgeführt, mit denen die Landoberflächentemperaturen in der Umgebung von Solaranlagen vor und nach deren Bau verglichen werden, ergänzt durch Daten, die am Boden gesammelt werden.

Demnach verursachen Solarparks Temperaturinseln auf der Landoberfläche, die sich bis zu 730 m weit erstrecken und Temperatursenkungen in einer Entfernung von 100 m von bis zu 2,3°C erzielen, welche wiederum die lokalen Ökosystemprozesse verändern. Das Ausmaß der Auswirkungen hängt vom Standort ab, und die Auswirkungen können je nach dem lokalen Ökosystem positiv, negativ oder unbedeutend sein. Da die Studien an trockenen Standorten durchgeführt wurden, sind nun weitere Untersuchungen erforderlich, um auch die Auswirkungen in gemäßigteren Klimazonen zu ermitteln.

In diesem Zusammenhang soll auf eine Untersuchung von Georgiy Stenchikov, einem Experten für Klima- und Atmosphärenmodellierung, und seinen Kollegen an der KAUST hingewiesen werden, die im Januar 2022 veröffentlicht wird. Das Team untersucht, wie sich die Veränderung der Oberflächenalbedo - dem Reflexionsvermögen der Erde - auf den atmosphärischen Wassertransport in der Region auswirkt und ob sich dadurch die Regenmuster ändern.

Hierzu führen die Wissenschaftler es eine Reihe von numerischen Simulationen mit einem regionalen Forschungsmodell und einer Wettervorhersage durch, wobei sie sich auf drei Szenarien konzentrieren: extensive Waldaufforstung, Erhöhung der Albedo und Verringerung der Albedo. Die Simulationen zeigen, daß eine ausgedehnte Aufforstung und eine erhöhte Oberflächenalbedo entlang der Küstenebene des Roten Meeres die Niederschläge verringern könnten, da die Meeresbrisen in der Region durch den horizontalen thermischen Kontrast zwischen Land und Meer angetrieben werden.

Das wärmere Land und das kühlere Meer schaffen ein Druckgefälle, das feuchte Meeresluft in Richtung Land drückt. Eine Aufforstung und eine stärker reflektierende Oberfläche würde das Land jedoch abkühlen, was die Meeresbrisen dämpfen und die Bewegung von Wasserdampf vom Meer zum Land verringern würde. Da auch die Aufstellung großer PV-Anlagen das Reflexionsvermögen des Geländes stark verändert, indem sie Sonnenenergie absorbieren und die Oberfläche aufheizen, könnten auch die Luftzirkulation an der Küste verändern.

Dem einsehbaren Bericht ,Sea Breeze Geoengineering to Increase Rainfall over the Arabian Red Sea Coastal Plains’ zufolge würde eine ausgedehnte Aufforstung  keine Niederschläge in den Küstenebenen des Roten Meeres auslösen. Umgekehrt erhöht die Installation von PV-Paneelen die Lufttemperatur an der Oberfläche, verstärkt die horizontalen Temperaturunterschiede zwischen Meer und Land, intensiviert die Winde und könnte die Niederschlagsmenge verdoppeln.

Den Forschern zufolge kann diese Form des regionalen Geo-Engineerings in Verbindung mit fortschrittlichen Methoden der Süßwassergewinnung und unterirdischen Speicherung daher eine praktikable Lösung für die bestehende Wasserkrise in trockenen Küstenregionen darstellen.

Ebenfalls an dieser Stelle zu erwähnen ist ein Bericht der japanischen Kyushu University, der Juni 2024 erscheint. Die dortigen Forscher hatten zehn Jahre lang die erwärmende Wirkung von PV-Anlagen auf die Landoberflächentemperatur im Kushida-Flußeinzugsgebiet analysiert und festgestellt, daß dieser Wert in der Umgebung der Anlagen, die von 2013 bis 2023 gebaut wurden,  um durchschnittlich 2,85°C gestiegen ist.

Aus saisonaler Sicht ist der Effekt in den wärmeren Monaten stärker ausgeprägt (+ 3,35°C) und in den kälteren Monaten moderater (+ 2,5°C). Der im Netz vollständig einsehbare Bericht trägt den Titel ,Evaluating the thermal environmental alterations due to photovoltaic installations in the kushida river basin, Japan’.

In diesem Kontext sind noch zwei Untersuchungen zu erwähnen. Die erste stammt von einem Forscherteam der Technischen Universität Xi’an und der State Power Investment Group Qinghai Photovoltaic Industry Innovation Center Co. Ltd. und untersucht die ökologischen und umweltrelevanten Auswirkungen des groß angelegten Ausbaus der Photovoltaik in Wüstengebieten. Der einsehbare Bericht ,Assessment of the ecological and environmental effects of large-scale photovoltaic development in desert areas’ wird im September 2024 veröffentlicht.

Als Fallstudie werden die Auswirkungen der 1 GW Qinghai Gonghe-PV-Farme in einer typischen alpinen Trockenwüste in Talatan in der nordöstlichen Provinz Qinghai bewertet. Den Wissenschaftlern zufolge zeigt die Entwicklung der Photovoltaik in erster Linie positive Auswirkungen auf das Mikroklima der Region, die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Bodens und die Vielfalt der Pflanzen- und Mikrobengemeinschaften.

Die zweite Untersuchung, die im Oktober veröffentlicht wird, trägt den Titel ,Rooftop photovoltaic solar panels warm up and cool down cities’ und geht auf ein internationales Team von Forschern der University of Calcutta, des Indian Institute of Technology Kharagpur, der Jadavpur University, des Massachusetts Institute of Technology (MIT), der University of Texas in Austin, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der University of New South Wales in Australien zurück.

Hier geht es um die Auswirkungen von PV-Dachanlagen auf städtische Mikroklimata, für deren Bewertung ein neues Modell entwickelt wird, das auch den konvektiven Wärmetransfer zwischen der Dachoberfläche und der Rückseite der Solarmodule einbezieht. Es wird zunächst in Kalkutta getestet und dann in Sydney, Austin, Athen und Brüssel validiert, um sicherzustellen, daß die Ergebnisse nicht auf eine bestimmte Klimazone beschränkt sind. Der Text ist ebenfalls im Netz einsehbar.

Im September 2021 erscheint ein Artikel von Wissenschaftlern der Ural Federal University in Russland mit dem Titel ,Effect of dual surface cooling of solar photovoltaic panel on the efficiency of the module: experimental investigation’, in dem die Auswirkungen der gleichzeitigen Kühlung beider Moduloberflächen beschrieben wird. Der im Netz einsehbare Text soll hier kurz zusammengefaßt werden.

Bei dieser aktiven Kühltechnik wird die Rückseite des PV-Moduls mit einem Baumwollgewebe gekühlt, das Wasser aus einem perforierten Rohr aufnimmt und durch Kapillarwirkung an der Oberfläche der Rückseite des Moduls herunterleitet. Und indem das perforierte Rohr am oberen Teil des Moduls positioniert ist, verteilt sich das Wasser aus dem Tank durch die Löcher im Rohr auch auf der Vorderseite des Moduls.

Bei der experimentellen Untersuchung wird ein Temperaturabfall von 23,55°C festgestellt, der zu einer Verbesserung der Ausgangsleistung des Moduls um etwa 30,3 % führt. Das gekühlte PV-Modul erreicht außerdem einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 14,36 % gegenüber 12,83 % für das ungekühlte Modul. Dies entspricht einem Unterschied von 1,53 %, was eine Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrads des gekühlten Moduls um 11,9 % bedeutet.

Zeitgleich veröffentlicht ein Team der Kasdi Merbah University in Algerien einen ähnlichen Bericht, in dem die experimentellen Ergebnisse einer Kühltechnik wiedergegeben werden, die auf der Wasserverdunstung und der Kapillarwirkung von Jutetuch basiert, das direkt auf der Rückseite des Moduls angebracht ist. Hier wird eine Temperatursenkung von 20°C und eine Effizienzsteigerung von 14,75 % erreicht (,Experimental investigation of a passive cooling system for photovoltaic modules efficiency improvement in hot and arid regions’).

Ebenfalls im September 2021 erscheint eine Studie der Shanghai Jiao Tong Universität in China, wo Forscher die Kombinationsmöglichkeiten von Strahlungskühlung und Solarenergiesystemen untersucht und nach verschiedenen Bedingungen und Parametern kategorisiert haben (,A review on the integration of radiative cooling and solar energy harvesting’). Den Forschern um Tao Ma zufolge ist die Strahlungskühlung im Vergleich zu konventionellen Kühltechniken umweltfreundlicher, da sie die Abwärme nicht in die atmosphärische Luft oder lokale Gewässer abgibt und als passive Technik keine Energiezufuhr erfordert.

In ihrem Bericht analysieren die Wissenschaftler alle Studien, die die Kombination der beiden Systeme aus verschiedenen Blickwinkeln untersuchen, und identifizieren fünf wichtige Systemtypologien auf der Grundlage von Funktionalität und Arbeitszeit. Sie untersuchen auch die Möglichkeit, die Glasabdeckung der Module durch hochemittierende RC-Materialien zu ersetzen, darunter Polymere auf Nanopartikelbasis, mehrschichtige Folienstapel und mikro-/nanostrukturierte Materialien. Hier wird die Abkürzung RC für Reflective Coating verwendet - in anderen Publikationen wird sie allerdings für Radiative Cooling genutzt.

Später werden Tests durchgeführt, bei denen die übliche Glasabdeckung durch hoch reflektierende Beschichtungen auf der Oberseite der Solarzellen ersetzt wurde, was die Zelltemperatur allerdings nur um etwa 1°C - 2°C senken kann. Um den Kühleffekt zu verbessern, wird daher ein kombiniertes System vorgeschlagen.

Gemeinsam mit Forschern der Zhejiang University um Salman Ahmed wird dann im Februar 2022 eine hybride Kühltechnik für Solarmodule vorgestellt, die auf Strahlungskühlung und dem Einsatz von Wärmerohren (Heat Pipes, HT) zur Wärmeübertragung basiert. Das System besteht aus einem PV-Modul und einem separaten RC-Modul, zwischen denen eine flache Platte mit Wärmerohren integriert ist, um eine schnelle Wärmeübertragung zu ermöglichen.

Während das PV-Modul auf die Sonne ausgerichtet ist, wird das RC-Modul auf dem kondensierenden Teil des Wärmerohrs plaziert zum Himmel hin ausgerichtet. Daraus resultiert eine maximale Verringerung der Zelltemperatur um 12,86°C und eine Steigerung des elektrischen Wirkungsgrads um 7,25 %. Da die Herstellung von Wärmerohren allerdings relativ teuer ist, wollen die Forscher im nächsten Schritt untersuchen, wie die Systemkosten gesenkt werden können.

Im September erscheint zudem eine weitere Analyse der E-JUST namens ,Thermal and electrical performances of actively cooled concentrator photovoltaic system’.

Im Oktober 2021 ist eine Studie der University of Split in Kroatien namens ,Investigation of heat convection for photovoltaic panel towards efficient design of novel hybrid cooling approach with incorporated organic phase change material’ zu erwähnen; im Dezember der Bericht ,Experimental investigations to improve the electrical efficiency of photovoltaic modules using different convection mode’ vom K. Ramakrishnan College of Engineering in Indien; sowie ebenfalls im Dezember die Studie ,Enhanced heat dissipation of truncated multi-level fin heat sink (MLFHS) in case of natural convection for photovoltaic cooling’ der Universiti Kebangsaan in Malaysia.

 

Das Jahr 2022 beginnt im Januar mit dem Bericht einer Gruppe von Forschern des PSG College of Technology in Indien und der University of Sheffield in England, die ein Sprühwassersystem entwickelt hat, um die Betriebstemperatur von PV-Modulen zu senken.

Das aktive Kühlsystem besteht aus einem Wassertank und einer Sprüheinheit aus flexiblen PVC-Schläuchen mit entsprechenden Löchern für den Wasserdurchfluß und ist so konzipiert, daß es Wasser auf die Vorderseite der Module sprüht. Aktiviert wird es durch einen auf der Rückseite des Moduls angebrachten Temperatursensor.

Das System wird an einem 36 W Solarmodul getestet und seine Leistung mit der eines Referenzmoduls ohne Kühltechnik verglichen. Dabei wird das Testmodul bei Temperaturen über 45°C mit etwa 15,6 Litern Wasser pro Tag besprüht. Durch das Kühlsystem wird eine maximale Verringerung der Modultemperatur um 20°C und eine durchschnittliche Temperatursenkung um 10°C erreicht. Außerdem wird eine durchschnittliche Steigerung der Leistungsausbeute des Moduls von 0,5 % und eine maximale Steigerung von 1,0 % verzeichnet.

Da die Wassertemperatur bei dem Prozeß auf durchschnittlich 30°C ansteigt, kann das Wasser mit der erhöhten Temperatur in ein solares Warmwassersystem eingespeist werden, womit sich die neue Kühltechnik gut für heimische PV-Anlagen mit integriertem Warmwassersystem verwenden läßt. Der im Netz vollständig einsehbare Bericht trägt den Titel ,Design and Implementation of Automatic Water Spraying System for Solar Photovoltaic Module’.

Von der Benha University in Ägypten stammt die im Januar veröffentlichte Übersicht ,Review of cooling techniques used to enhance the efficiency of photovoltaic power systems’, in der die gebräuchlichen Methoden zur Kühlung von PV-Paneelen überprüft und analysiert Arbeit werden, wie z.B. passive Kühlung, aktive Kühlung, Kühlung mit Phasenwechselmaterialien (PCM) und Kühlung mit PCM, die mit Zusatzstoffen wie Nanopartikeln oder porösem Metall versetzt sind.

Dabei liegt der Schwerpunkt auf den letztgenannten Methoden, und alle Forschungsarbeiten werden zusammengefaßt, die sich mit der Kühlung von PV mit PCM und porösen Strukturen befaßt haben. Die umfangreiche und empfehlenswerte Übersicht, die auch verschiedene der hier erwähnten Technologien umfaßt, ist im Netz frei verfügbar.

Ebenfalls im Januar erscheint die Studie ,An experimental analysis of enhancing efficiency of photovoltaic modules using straight and zigzag fins’ von Wissenschaftlern der Jundi-Shapur University of Technology im Iran und der Shoolini University in Indien, die sich mit den Auswirkungen von auf der PV-Modulrückseite angebrachten Lamellen auf die Stromerzeugung durch Senkung der Oberflächentemperatur der Module befaßt.

Dabei werden verschiedene Anzahlen von 10, 20, 30 und 40 Aluminiumlamellen in zwei verschiedenen Geometrien - gerade und zickzackförmig - auf der Rückseite der PV-Module angebracht. Bei 10 Lamellen wird ein Temperaturabfall von 9°C bzw. 15°C und eine Steigerung der Ausgangsleistung von 8 % bzw. 14 % für gerade bzw. zickzackförmige Geometrien erreicht.

Gemäß einer Meldung im Februar haben Forscher der South Ural State University (SUSU) in Russland eine holographische Folie erfolgreich zur Vermeidung der Überhitzung von PV-Modulen eingesetzt. Die Folie, die auf prismatischen Konzentratoren basiert, den sogenannten Prismacons, die aus einem transparenten Material bestehen und holografische Linsen mit sehr kleinen Abmessungen enthalten, war im März des vergangenen Jahres patentiert worden.

Die Folie, die einfach auf die Oberfläche des Moduls laminiert werden kann, funktioniert durch die Reflexion der Infrarotstrahlen von ihrer metallisierten Oberschicht, was eine Überhitzung des Moduls verhindert. Ihr Kern besteht aus einer Schicht von winzigen pyramidenförmigen Spektralkonzentratoren, die die Strahlen absorbieren und brechen, bevor sie durch interne Reflexion auf die Solarzelle gelenkt werden.

Nun hat ein internationales Forschungsteam der SUSU, der Universiti Malaysia Pahang (UMP) und der Manipal Academy of Higher Education in Indien ein Wärmemodell entwickelt, um die Leistung der neuartigen Wärmeschutzfolie zu bewerten, die die Betriebstemperatur von Solarmodulen, einschließlich thermophotovoltaischer Geräte, erheblich senken und damit den Wirkungsgrad von PV-Modulen auch bei bewölktem Wetter verbessern kann.

Bei Tests in Qurghonteppa in Tadschikistan mit einem monokristallinen 100 W Paneel mit Folie sowie einem Referenzpaneel ohne Folie wird festgestellt, daß die Betriebstemperatur des Moduls ohne Folie zwischen 35°C und 75°C liegt, während das Paneel mit holographischer Folie eine Temperatur zwischen 32°C und 65°C erreichte. Die Temperaturreduzierung der Siliziumoberfläche beträgt 3,54 °C. Der entsprechende Artikel trägt den Titel ,Thermal model of a photovoltaic module with heat-protective film’ und ist vollständig einsehbar.

Zum Hintergrund: Die Anwendung der sehr dünnen, flexiblen holographischen Folien aus Kunststoff, die auf verschiedene Arten von Materialien laminiert werden können, um die nutzbaren Frequenzen des Sonnenlichts zu beugen und auf die Solarzellen zu lenken, ist in der PV-Forschung nicht neu, wurde bislang aber noch nicht für die kommerzielle Produktion entwickelt - obwohl z.B. holographische Konzentratoren schon seit 1993 an der TH Aachen entwickelt werden, während die US-Firma Prism Solar Technologies Inc. seit 2005 an holographischen Solarzellen arbeitet.

Ebenfalls im Februar erscheint die Studie ,Performance assessment of a serpentine tube PVT system using Cu and TiO₂ nanofluids: an experimental study’, an der die Jamia Millia Islamia, das SRM Institute of Science & Technology sowie das Indian Institute of Technology beteiligt sind. Ein Photovoltaisch-Thermisches (PVT) Modul ist eine kombinierte Version von Photovoltaik und Solarthermie zur gleichzeitigen Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie.

Da die thermo-elektrische Leistung von PVT-Systemen auf Wasserbasis aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Wasser nicht ausreichend ist, untersucht das Team experimentell, wie sich die Konzentration und die Massendurchflußrate (MFR) von Kupfer (Cu)- und Titanoxid (TiO₂)-Nanofluiden auf die Leistung eines hybriden PVT-Systems auswirken.

Die Forschungsergebnisse zeigen, daß die PVT mit Cu/Wasser-Nanofluid eine bessere thermo-elektrische Leistung aufweist als die PVT mit TiO₂/Wasser-Nanofluid und Wasserkühlung, und daß die Verwendung von Cu/Wasser-Nanofluid (1 Vol.-%) als Kühlmittel den elektrischen Wirkungsgrad des PVT um 5,98 % gegenüber dem Basisfluid verbessert. Und auch mit einer höheren MFR wird die durchschnittliche Temperatur des PV-Panels reduziert, was zu einer besseren Kühlung des PVT-Systems führt.

April 2022 berichten Forscher der Syracuse University in den USA über die Entwicklung einer Kühltechnik für Solarmodule, die auf der Ableitung von Wärmeströmen durch Sprühkühlung über poröse Nanokanäle beruht. Dabei werden die Nanokanäle auf der gesamten Oberfläche der Rückseite eines monokristallinen Moduls angebracht. Der Kühleffekt wird durch die auf Dünnschichtverdampfung basierende Phasenwechsel-Wärmeübertragung in den porösen Nanokanälen erzielt und die Sprühtröpfchen werden über die Nanokanäle verteilt, so daß keine kontinuierliche Zufuhr eines Kühlmittels erforderlich ist.

Die Leistung der Nanokanäle wird in zwei verschiedenen Fällen der Sprühkühlung analysiert, die einem einheitlichen Sprühtropfendurchmesser von 400 μm (Fall 1) und 20 μm (Fall 2) entsprechen. Die stationäre Endtemperatur der beiden vorgeschlagenen Fälle liegt bei 30,5°C bzw. 20°C, im Vergleich zu 51,5°C bei einem Referenzsolarmodul ohne Kühlung. Damit ist klar, daß die feineren Sprühtröpfchen in Fall 2 eine höhere Fähigkeit zur Ableitung des Wärmestroms bieten und zu einer Gesamtsteigerung des Stromertrags von 32,8 % führen. Der Artikel mit dem Titel ,Thermal Management of Photovoltaics Using Porous Nanochannels’ ist im Netz einsehbar.

Weitere Studien, die im April 2022 erscheinen sind ,Cooling technologies for enhancing photovoltaic-thermal (PVT) performance: a state of the art’ von der Sohag University in Ägypten, in der ein aktueller Überblick über die aktuell wichtigsten PV-Kühltechnologien gegeben wird, insbesondere in Bezug auf PVT-Technologien; sowie ,Performance enhancement of the photovoltaic system with different cooling methods’ von der Shiv Nadar University in Indien, die eine Übersicht über PV mit Luftkühlung, Photovoltaik-Thermie (PVT) mit Wasserkühlung, PVT/PCM mit und ohne Lamellen und PVT mit integrierten Nanofluiden bietet.

Im Mai veröffentlicht eine Gruppe von Wissenschaftlern der britischen University of Nottingham, der Hong Kong Polytechnic University und der University of Science and Technology of China ihre Ergebnisse bezüglich der Möglichkeiten einer passiven Strahlungskühlung in PV-Anlagen. Dabei stellt das Team um Yuehong Su fest, daß die Einbindung dieser Kühlung in Solarmodule sich noch im Forschungsstadium befindet und es einige Zeit brauchen wird, bis sie kommerziell ausgereift ist (,Applications of radiative sky cooling in solar energy systems: Progress, challenges, and prospects’).

Die Experten in Nottingham entwickeln später gemeinsam mit Kollegen der chinesischen Southwest Jiaotong University ein neuartiges PV-Kühlsystem mit geschlossenem Kreislauf für heiße und trockene Regionen, das 24 Stunden lang kontinuierlich betrieben werden kann. Die nachhaltige und kosteneffiziente Lösung soll zudem die Lebensdauer der Solarmodule von 18 auf 24 Jahre verlängern. Außerdem erzeugt sie im Dezember 6,7 % und im Juni 2,5 % mehr Leistung als ein Referenzsystem.

Das vorgeschlagene Kühlsystem besteht aus einem PV-Modul sowie einem vollständig geschlossenen Kreislauf, der einen Wassertank, Wasserleitungen und eine Umwälzpumpe umfaßt. Auf der Rückseite des Moduls ist eine Absorberplatte angebracht, an deren Rückseite wiederum zwei Verteiler und acht Wasserrohre aus Kupfer angeschweißt sind. Der Aufbau wird auf der Grundlage der Bedingungen in der irakischen Stadt Basra modelliert.

Zunächst zirkuliert das Wasser tagsüber über die Rückseite des PV-Moduls und kühlt es so effektiv ab. Nachts gibt die kontinuierliche Wasserzirkulation die angesammelte Wärme wieder an das PV-Paneel ab, wodurch sich dessen Temperatur während der Nacht erhöht. Durch diese Nutzung der thermischen Energie werden die Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht reduziert und die Lebensdauer des PV-Paneels erhöht.

Der im November 2024 erscheinende Artikel ,A hydronic closed-loop photovoltaic cooling system designed for hot and arid regions: Performance evaluation and degradation rate/lifetime analysis’ ist im Netz vollständig einsehbar. Laut dem Autor Qiliang Wang ist geplant, in Zukunft eine detaillierte wirtschaftliche Analyse dieses Systems für spezifische Anwendungsszenarien durchzuführen.

Forscher der University of Tehran, des Niroo Research Institute (NRI) und der Amirkabir University of Technology im Iran berichten im Juli 2022 über ihre numerischen 2D-Simulation, bei denen sie vier verschiedene zweischichtige Phasenwechselmaterialien (PCM) des deutschen PCM-Anbieters Rubitherm Technologies GmbH als passives Kühlmittel in unterschiedlichen Systemkonfigurationen testen und feststellen, daß die Amortisationszeit der vorgeschlagenen Kühltechnik noch weit von der kommerziellen Rentabilität entfernt ist.

Bei der Simulation wird eine in das Solarmodul integrierte zweischichtige PCM-Kühleinheit betrachtet, die die Temperatur des Moduls durch Absorption der überschüssigen Wärme verringert. Die leistungsfähigste Systemkonfiguration wird an dem Standort mit dem heißesten und trockensten Klima gefunden, für den ein Anstieg des jährlichen Stromertrags um 3,11 % geschätzt wird. Dieser Standort bietet auch die höchste Wassertemperatur von 48°C, die durch die Abwärme des Systems erzeugt wird.

Das Team um Mohammad Adib hat bislang noch keinen Pilotversuchsaufbau entworfen und implementiert, will die Entwicklung aber weiterverfolgen, da die Betriebslebensdauer von PV-Modulen, die normalerweise 20 Jahre beträgt, durch den Einsatz eines PCM-Kühlsystems auf 48 Jahre verlängert werden kann. Außerdem können die Betriebskosten vernachlässigt werden, da die PCM-Kühlung keine nennenswerten Wartungs- und Reparaturarbeiten erfordert.

Der Bericht der iranischen Wissenschaftler trägt den Titel ,Techno-economic assessment of a photovoltaic module integrated with a two-layer phase change material unit’.

Auch ein Team der University of Miskolc in Ungarn entwickelt eine passive Kühltechnik für PV-Module, mit der sich die Betriebstemperatur der Module um bis zu 22 % senken läßt, wie im Juli gemeldet wird. Die neue Technik besteht darin, in Wasser getauchte Dochte aus Baumwolle (Cotton Wicks Immersed In Water, CWIWs) auf der Rückseite des Photovoltaikmoduls zu befestigen.

Das Wasser wird den Baumwolldochten durch die Schwerkraft von oben nach unten zugeführt, was die effektive Absorption der Baumwolle fördert und den Wasserverbrauch reduziert. Werden die schlangenförmig angeordneten, befeuchteten Dochte der Umgebungsluft ausgesetzt, führt das zu einer Verdunstungskühlung, die genutzt wird, um die Wärme von der Rückseite des PV-Moduls zu absorbieren. Fixiert werden die Dochte mit thermischem Silikon, so daß kein Zwischenraum zwischen ihnen verbleibt. Indem zwei mit Wasser gefüllte Plastikflaschen am oberen Rand des PV-Moduls plaziert werden, fließt das Wassers schwerkraftbedingt ohne zusätzlichen Energieaufwand zu den CWIWs.

Dem Bericht zufolge waren die Experimente mit polykristallinen Solarmodulen bereits im August 2021 unter den klimatischen Bedingungen von Basra im Irak durchgeführt worden. Im Vergleich zu einem Referenzmodul ohne Kühlsystem ist die Betriebstemperatur des mit CWIWs ausgestatteten Moduls um 22 % niedriger, was den Wirkungsgrad auf 7,25 % und den Leistungszuwachs auf 16,3 W erhöht. Der Bericht ,Effect of Evaporative Cooling on Photovoltaic Module Performance’ ist im Netz einsehbar.

Im September 2022 folgt ein Bericht der italienischen Universität von Kalabrien über ein neues thermisches Modell für PV-Paneele mit wasserbasierter Rückseiten-Sprühkühlung (,A novel thermal model for PV panels with back surface spray cooling’). Das Team um Piero Bevilacqua führt eine genaue Analyse der Kühlungsphänomene auf der Rückseite durch und validiert das Modell mit experimentellen Daten eines Versuchsaufbaus mit einem PV-Paneel, das mit zwei Sprühdüsen ausgestattet ist.

Ein Vergleich der Leistungen mit einem ungekühlten PV-Paneel ergibt eine durchschnittliche Steigerung der elektrischen Leistung um 7,8 % in den Spitzenstunden der Sonneneinstrahlung und eine Verringerung der durchschnittlichen Zelltemperatur um 28,2 %. Die durchschnittliche Effizienz der PV-Paneele steigt dabei um 5,4 %.

Ebenfalls im September veröffentlichen Forscher der Universität Alcalá in Spanien Informationen über ihre Entwicklung einer Kühltechnik für Solarmodule, die einen unterirdischen, einphasigen, geschlossenen Wärmetauscherkreislauf nutzt, der als natürliche Wärmesenke wirkt (,Efficiency Improvement of Photovoltaic Solar Modules by Cooling Using an Underground Heat Exchanger’).

Das Kühlsystem besteht aus einem auf der Rückseite des Solarmoduls angebrachten Wärmetauscher aus einem Satz von sechs plastisch verformten, abgeflachten U-förmigen Kupferrohren mit einem Durchmesser von jeweils 15 mm. Die Rohre sind alle durch Polyethylenschaum thermisch isoliert und mit gemeinsamen Einlaß- und Auslaßanschlüssen verbunden.

Die durch den Wärmetauscher des Solarmoduls abgeleitete überschüssige Wärme wird unterirdisch durch eine Kühlflüssigkeit übertragen, die durch einen weiteren U-förmigen Wärmetauscher in einem 15 m tiefen Bohrloch gekühlt wird, das mit Wasser aus dem Grundwasserleiter gefüllt ist.

Die Wissenschaftler testeten das Kühlsystem an einer netzunabhängigen PV-Anlage aus zwei 270 W Modulen, die als repräsentativ für einen typischen Solarpark mit einachsigen Nachführsystemen gelten. Das Experiment zeigt, daß die Kühltechnik die Betriebstemperatur der Solarmodule um 13 - 17°C senken kann. Dadurch verbessert sich die Leistung der Module um etwa 11 %. Das System benötigt allerdings zusätzliche Energie, um die Pumpe für das Kühlmittel zu betreiben.

Im Oktober 2022 publiziert die Jundi-Shapur University of Technology im Iran den Artikel ,Performance assessment of a finned photovoltaic module exposed to an air stream: an experimental study’, in dem die Anbringung von Kühlrippen auf der Rückseite der PV-Zellen und ein künstlicher Windstrom von 2 km/h angewandt und experimentell untersucht werden. Hierbei zeigt sich, daß der Windstrom effektiver ist als die Lamellen. So wird bei 40 Lamellen und keinem Wind eine Temperaturreduzierung von 14,9°C gemessen, während sich die Modultemperatur bei Wind und ohne Lamellen um 24,4 °C reduziert.

Im November erscheint ein Bericht des Politecnico di Torino in Italien, wo ein Kühlsystem für Photovoltaikmodule entwickelt wird, das Strahlungskühler auf der Grundlage von zementartigen Materialien verwendet. Diese Kühler werden aufgrund der niedrigen Kosten der Betonmaterialien, aus denen sie hergestellt sind, häufig für das Wärmemanagement in Gebäuden verwendet, um Wärmestrahlung in das atmosphärische Fenster emittieren.

Im Gegensatz zu anderen Strahlungskühlern, die auf Metamaterialien mit knappen Elementen, auf komplexen Herstellungsprozessen oder auf organischen Polymeren beruhen, die möglicherweise durch UV-Zersetzung beeinträchtigt werden, betrachten die italienischen Forscher um Matteo Cagnoni innovative Lösungen auf Zementbasis als die nachhaltigere und kostengünstigere Alternative, die zudem die Lebensdauer von Solarzellen erheblich verlängern kann.

Durch die Kombination von chemischer Kinetik, molekularer Mechanik und elektromagnetischen Simulationen wird gezeigt, daß die gebräuchlichsten Zemente, d.h. Portlandzemente, mit ausgezeichneten Strahlungskühleigenschaften ausgestattet werden können, die eine Senkung der Betriebstemperatur von Solarzellen um bis zu 20°C ermöglichen. Dies kann zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads um etwa 9 % und einer bis zu vierfachen Verlängerung der Lebensdauer führen.

Dabei besteht die neuartige Systemkonfiguration aus einem Stapel, der sich aus einem Reflektor, einem zementbasierten Strahlungskühler und einer bifazialen Solarzelle zusammensetzt. Diese Struktur kann z.B. durch Aufbringen einer Dünnschichtsolarzelle auf ein zementbasiertes Substrat durch Sputter-, Verdampfungs- oder Lösungsabscheidungsverfahren realisiert werden. Dabei sind die Solarzelle und der Strahlungskühler thermisch gekoppelt und gegenseitig transparent. Der Text ,Cementitious materials as promising radiative coolers for solar cells’ ist im Netz einsehbar.

Bereits im Dezember 2023 folgt ein weiterer Bericht des Turiner Teams über den Versuch, die positiven Auswirkungen von Strahlungskühlern aus Zementpaste auf die Leistung von PV-Zellen zu quantifizieren und das detaillierte Bilanzmodell zu verbessern, das in der Literatur üblicherweise zur Bewertung von Strahlungskühlern für Solarzellen verwendet wird.

In der ebenfalls vollständig einsehbaren Arbeit mit dem Titel ,Extended detailed balance modeling toward solar cells with cement-based radiative coolers’ zeigt die Forschergruppe, daß die zementbasierten Kühler sich dem Spektrum des idealen Breitbandstrahlers für Solarzellen annähern.

Wie im Februar 2023 berichtet wird, haben die Forscher der UMP zudem eine neuartige passive Kühltechnik für Solarmodule entwickelt, die feuchte Kokosfasern verwendet. Das Kühlsystem besteht aus einem feuchten Kokosnußmark, das mit einer Polyurethanfolie eingekapselt und als Wärmesenke auf der Rückseite eines PV-Moduls angebracht wird. Der Artikel ,Thermal and Electrical Performance of Uncooled, Nature-Cooled, and Photovoltaic Thermal Module’ ist im Netz einsehbar.

Wassermoleküle kommen mit Hilfe der Kokosfasern direkt mit der Rückseite der PV-Module in Kontakt, wodurch die Wärme von den Wassermolekülen in der Kokosfaser absorbiert wird.  Wenn die Wassermoleküle schließlich genügend Wärmeenergie absorbiert haben, wirken sie als Wärmeabfuhrmittel, indem sie durch die Perforationen in der Polyethylenfolie verdampfen.

Beim Vergleich des Temperaturverhaltens und der Leistung eines mit dem System ausgestatteten PV-Moduls mit dem eines photovoltaisch-thermischen Moduls (PVT) mit Wasserkühlung erweist sich, daß das passiv gekühlte PV-Modul eine maximale Betriebstemperatur von 44,6°C hat, während das PVT-Paneel und ein Referenz-PV-Paneel ohne Kühlung Temperaturen von 47,8°C bzw. 57,2°C aufweisen. Die Leistung des passiv gekühlten PV-Moduls steigt den Wissenschaftlern zufolge um 65,26 %.

Weiter mit den Photovoltaik-Kühltechnologien...