TEIL C

Entwicklung der photovoltaischen Nutzung 2020 (b)

 

In dieser Jahresübersicht liegt der Schwerpunkt bei der passiven und aktiven Kühlung von PV-Paneelen, dies ist die Fortsetzung:

Der erste Bericht im Januar 2023 stammt von Forschern des State Polytechnic of Ujung Pandang in Indonesien, die vorschlagen, die Betriebstemperatur von PV-Modulen mit Hilfe von Unterdruck zu senken, denn wenn der Druck in einem Raum gesenkt wird, sinkt auch die Raumtemperatur. Der Einsatz dieser Kühltechnik in einem PV-System soll zusätzliche Kosten von nur 30 - 50 $/kW verursachen.

Die Wissenschaftler um Suryanto Suryanto arbeiten an einer passiven Kühlmethode, bei der ein Gehäuse verwendet wird, das einen Unterdruck um das PV-Modul herum erzeugt. Sie setzen dies bei eine, Solarmodul an, dessen Gehäuserahmen aus 18 mm dickem Plattenmaterial besteht. Das Gehäuse ist mit 5 mm dickem Glas bedeckt, das widerstandsfähig genug ist, um dem Unterdruck standzuhalten. Ein Ventil ermöglicht das Absaugen von Luft aus dem Gehäuse mittels einer Vakuumpumpe und ein Drucksensor mißt die Druckverhältnisse in der PV-Gehäusekammer.

Beim Vergleich der Leistung des gekühlten Moduls mit der eines Referenzmoduls ohne Kühlung bei einer Umgebungslufttemperatur von 35°C - 36°C mittels Temperatursensoren zur Überwachung der Ober- und Unterseite wird festgestellt, daß die Temperatur an der Oberseite des PV-Paneels unter Vakuumdruck eine Temperatur zwischen 29°C und 30°C erreicht, während die Temperatur des ungekühlten Moduls zwischen 44°C und 45°C liegt.

Im Februar folgt die Veröffentlichung einer Studie der Kermanshah University of Technology im Iran, wo Forscher um Pedram Azimi die Möglichkeit untersuchen, die Temperatur von PV-Modulen mit einem hybriden Ultraschallsystem (US) aus thermoelektrischen (TEGs) und piezoelektrischen (PZTs) Komponenten zu senken, das Kaltdampf erzeugt. Ultraschallenergie wird auch in anderen Anwendungen als Kühlmethode eingesetzt, indem eine kalte Flüssigkeit auf heiße Oberflächen gesprüht und zerstäubt wird, um deren Temperatur zu senken.

Das neue System wird mit einem 10 W Solarmodul getestet, wobei ein Solarsimulator verwendet wird, der aus einer Kammer mit einem Holzboden und einem Dach besteht, deren die Seitenwände mit Aluminiumfolie bedeckt sind. Die Kammer ist mit einem kubischen Glasgehäuse mit den Abmessungen 35 x 25 x 10 cm und fünf Ultraschall-Piezoelektrika (PZT) ausgestattet. Daneben werden zwölf thermoelektrische Generatoren auf der Basis von Bismuttellurid mit den Maßen 40 x 40 x 4 mm verwendet.

Bei ihren Versuchen verwendet die iranische Gruppe mehrere Arbeitsflüssigkeiten, darunter ein Nanofluid auf Wasserbasis, das Siliziumkarbid (SiC) enthält; eine Mischung aus Ethanol und Wasser mit unterschiedlichen Volumenanteilen an Ethanol; sowie eine Mischung aus Ethanol und Wasser mit SiC-Nanofluid.

Die Ergebnisse zeigen, daß für alle Arbeitsflüssigkeiten und alle Anordnungen von thermoelektrischen Generatoren der Wert des Energiekoeffizienten höher als 1 ist, und daß die höchsten Werte für den Stromertrag und den Wirkungsgrad des Photovoltaikmoduls mit einer Mischung aus Ethanol und Wasser mit SiC-Nanofluid aufgrund dessen hoher Leitfähigkeit selbst bei sehr niedrigen Konzentrationen erreicht werden.

Durch ein fortgeschrittenes Verständnis der Vorteile der US-TEG/PV-Technologie bildet die Studie mit dem Titel ,Improving the performance of photovoltaic modules using ultrasonic-thermoelectric generators’ die Grundlage für die Implementierung von Ultraschall-Kühlsystemen, was im nächsten Schritt zur Konzeption und Analyse eines Pilotprojekts führen soll.

Ebenfalls im Februar berichten Forscher der Sohag University in Ägypten über ein passives Kühlsystem für Solarmodule, das ein Phasenwechselmaterial namens Paraffin RT-42 verwendet und die Stromausbeute um 15,8 % im Vergleich zu einem Referenzmodul ohne Kühlung verbessert (,Performance enhancement of PV panels using phase change material (PCM): An experimental implementation’).

Für ihre Versuche installieren die Wissenschaftler das Kühlsystem auf einem polykristallinen 40 W Paneel, das sie mit Neigungswinkeln von 15°, 20°, 25° und 30° und mit unterschiedlichen PCM-Dicken testen und dabei die jeweilige Leistung mit der eines identischen Referenzpaneels ohne Kühlung vergleichen. Zur Aufnahme der PV-Paneele wird ein rechteckiger PCM-Container aus verzinktem Blech verwendet, der an der Rückseite des PV-Paneels befestigt und mit einer Silikonbeschichtung versehen wird, um ein mögliches Auslaufen zu verhindern, wenn das PCM vollständig geschmolzen ist.

Während des Experiments wird festgestellt, daß bei allen PCM-Dicken eine Erhöhung des Neigungswinkels des Paneels die Oberflächentemperatur verringert. Wenn das PV-PCM-Paneel in einem Winkel von 15° installiert ist, verzeichnet es die höchste Temperaturverteilung über die Paneeloberfläche, während die niedrigste Temperatur für die Oberfläche bei einem Neigungswinkel von 30° gemessen wird. Dies sei wahrscheinlich darauf zurückzuführen, daß der Energiefluß innerhalb des PCM aufgrund der Konvektion sehr gering ist, wenn der Neigungswinkel klein ist.

Die Verwendung von PCM mit einer Dicke von 3 cm steigert den elektrischen Wirkungsgrad des PV-PCM-Moduls um 14,4 % im Vergleich zum PV-Referenzmodul, während eine Änderung des Neigungswinkels von 15° auf 30° den Wirkungsgrad von PV-PCM mit 3 cm Dicke um 7,4 % erhöht.

Eine dritte Meldung im Februar bezieht sich auf den australischen Hersteller modularer Solarmodule 5B, der mit dem Entwicklungsunternehmen Sun Cable und Forschern der Sydney University um Mark Baldry zusammenarbeiten wird, um das Design großer Solarparks zu optimieren und so die temperaturbedingten Effizienzverluste der Module zu minimieren. Das vom Australian Research Council mit 636.676 AU$ geförderte Forschungsprojekt umfaßt die Entwicklung hochentwickelter Multiskalenmodelle zur Simulation und zum Verständnis der zahlreichen interagierenden Phänomene, die zur Aufheizung der Paneele führen.

Die 5B war als bevorzugter Lieferant für das von Sun Cable vorgeschlagene Projekt Australia-Asia PowerLink (AAPowerLink) ausgewählt worden, das neben dem längsten Unterwasserkabel der Welt auch eine 20 GW (später: 6 GW) Solarfarm und eine 42 GWh Batterie auf einem 12.000 Hektar großen Gelände im australischen Northern Territory umfassen soll. Das Forschungsprojekt soll dabei helfen, die Werkzeuge und das Know-how zu schaffen, um das Design von Solarzellenfeldern im Gigaskalenbereich zu optimieren.

Im Juli 2022 veröffentlicht die NED University of Engineering and Technology in Pakistan eine Untersuchung unter dem Titel ,Efficiency Improvement of Photovoltaic Module by Air Cooling’, in der ein PV-Modul in ein hybrides thermisches Photovoltaiksystem (PVT) umgewandelt wird, indem auf der Rückseite des Moduls ein Luftkanal zur Kühlung integriert wird.

Von der Maharshi Dayanand University und dem Shiv Nadar Institute of Eminence in Indien erscheint im Oktober die Übersicht ,A Review on Solar Photovoltaic System Efficiency Improving Technologies’, in der verschiedene Nachführungs- und Kühltechniken vorgestellt und klassifiziert werden, die zum Erlangen der maximalen Sonneneinstrahlung und zur Verringerung eines Temperaturanstiegs eingesetzt werden.

Im November 2022 veröffentlichen Forscher der Jundi-Shapur University of Technology im Iran einen Bericht mit dem Titel ,Performance assessment of a finned photovoltaic module exposed to an air stream: an experimental study’, in welchem sie zwei Kühlmethoden anwenden und experimentell untersuchen: die Anbringung von Kühllamellen auf der Rückseite der PV-Zellen und ein künstlicher Windstrom.

In dem Beitrag werden verschiedene Lamellengrößen mit und ohne Wind von 2 km/h getestet, wobei sich zeigt, daß der Windstrom effektiver ist als die Lamellen. So wird eine Reduzierung der Temperatur von 14,9°C gemessen, wenn 40 Lamellen montiert sind und kein Wind weht - während die Modultemperatur bei Wind und ohne Lamellen um 24,4°C verringert wird. Die genannten Reduzierungen führen zu einer Steigerung des elektrischen Wirkungsgrads um 2 % bzw. 4,1 %.

Im Jahr 2023 erscheint im Februar ein Artikel der Tanta University und des Misr Higher Institute for Engineering and Technology in Ägypten, in welchem die elektrischen und thermischen Leistungen eines PVT-Systems bewertet werden, das mit einem serpentinenförmig konfigurierten thermischen Plattenabsorber unter Verwendung von Wasser bzw. Aluminiumoxid-Nanofluid ausgestattet ist.

Während ein ungekühltes PVT-System zur Mittagszeit eine maximale Paneeltemperatur von 75,5°C erreicht, reduziert die Kühlung mit Wasser bzw. Nanofluid die Temperatur um 10,0°C bzw. 20,0°C. Der im Netz einsehbare Artikel tr im Netz einsehbarer Artikelgt den Titel ,A comprehensive study for Al₂O₃ nanofluid cooling effect on the electrical and thermal properties of polycrystalline solar panels in outdoor conditions’.

Im April folgt die Studie eines Forscherteams der Korea University, der Korea Maritime & Ocean University (KMOU) und der University of California, Berkely, das ein passives Kühlsystem für Solarmodule entwickelt hat, das einen Wasserdesorptionsprozeß und einen endothermen Reaktionsauflösungsprozeß nutzt.

Die Forscher beschreiben ihre Technik als ein durch atmosphärische Wasserdesorption angetriebenes Kühlsystem. Wenn diesem Wärme aus der Sonneneinstrahlung zugeführt wird, wird Wasser von Zeolith 13X, einem handelsüblichen Alumino-Silikatmaterial, desorbiert und löst Ammoniumnitrat (NH₄NO₃), um eine endotherme Reaktionskühlung auszulösen, was zu einem reversiblen Prozeß führt, der sich nachts von selbst erholt. Der Kühleffekt wird erreicht, weil die Wasseradsorptionskapazität von Zeolith 13X umgekehrt proportional zur Temperatur ist und Wasser bei höheren Temperaturen mehr Ammoniumnitrat lösen kann.

Für ihre Versuche mit der wasserdesorptionsgetriebenen endothermen Reaktion (WD-ER) wird das System auf der Rückseite einer Solarzelle angebracht, die zum Schutz vor Feuchtigkeit mit Urethan imprägniert ist. Die Zelle wird mit Zeolith 13X-Partikeln und einer vernachlässigbaren Menge Polyvinyl beschichtet, die Partikel dann mit Wasser gesättigt und eine Ammoniumnitrat-Kristallschicht hinzugefügt, um einen dünnen Film zu bilden.

Die Oberflächentemperatur der PV-Zelle mit der WD-ER-Kühleinheit beträgt 39°C - 43°C, was deutlich niedriger ist als die natürliche Luftkühlung mit 51°C - 56°C. Damit kann das WD-ER-Kühlsystem die durchschnittliche Temperatur der PV-Zelle um 14,9°C senken. Die Wissenschaftler betonen, daß die vorgeschlagene Methode keine Energie verbraucht, aus billigen Materialien besteht und selbstregenerierende Eigenschaften besitzt. Der Artikel ,Self-recovering passive cooling utilizing endothermic reaction of NH4NO3/H2O driven by water sorption for photovoltaic cell’ im Netz einsehbar.

Eine Forschergruppe der University of Tabuk in Saudi-Arabien und der Gabes University in Tunesien berichtet im Mai 2023 von einer aktiven Kühltechnik auf der Grundlage von Nanofluiden. Das System besteht aus einem zweifachen Strahl eines Nanofluids in einem geneigten 2D-Kanal, der unter einer Heizplatte angebracht ist, die an dem PV-Paneel haftet. Als Nanofluid wird mit Kupfer-Nanopartikeln vermischtes Wasser verwendet.

In der vorgeschlagenen Systemkonfiguration wird der Kanal durch seine obere Wand beheizt und durch die zwei Strahlen von Nanofluiden gekühlt, die durch seine untere Wand eindringen. Der stark theorielastige Artikel mit dem Titel ,Qualitative modeling of solar panel cooling by nanofluid jets: Heat transfer and second law analysis’ ist vollständig einsehbar.

Der Wissenschaftler Talib K. Murtadha von der jordanischen Mutah University berichtet im Juni über Experimente, bei denen versucht wird die Betriebstemperatur von Photovoltaikmodulen zu senken, indem 3 mm dicke durchsichtige Acrylglasplatten in verschiedenen Neigungen von 15°, 30° und 45° in einem Abstand von etwa 30 cm über den Modulen angebracht werden. Die Platten können 10 % der Sonnenstrahlung mit Wellenlängen unter 1,1 μm reflektieren und absorbieren.

Nach der Anbringung der Acrylplatte parallel zum einem monokristallinen 50 W PV-Paneel wird eine Verringerung der Oberflächentemperatur um 10 % im Vergleich zu einem Paneel ohne Acryl festgestellt. Die größte prozentuale Verringerung der Oberflächentemperatur von von 14,5 % wird durch die Anbringung der Acrylglasplatte in einem Winkel von 30° zum Paneel erreicht. Dadurch wird die Stromausbeute um etwa 2 % erhöht. Der Artikeln ,Installing clear acrylic sheet to reduce unwanted sunlight waves that photovoltaic panels receive’ ist im Netz veröffentlicht.

Forscher der Mohamed First University und des Green Energy Park in Marokko legen im Juli 2023 eine experimentelle Untersuchung vor, in der sie die Wirkung von Wind als natürliches Kühlmittel in einem heißen, trockenen Klima quantifizieren. Für ihren Versuch wird während der heißen Jahreszeit sechs Monate lang ein polykristallines 300 W PV-Modul genutzt, das in einer Solarfarm der Moroccan Agency for Sustainable Energy (MASEN) in Ben Guerir, im mittleren Süden Marokkos, installiert ist.

Die Ergebnisse aus den meteorologischen Daten und den Messungen der elektrischen Parameter des Moduls zeigen, daß selbst in einem heißen Wüstenklima der Wind eine positive Wirkung auf die Senkung der Temperatur des PV-Moduls hat. Bei Windgeschwindigkeiten von 1 m/s - 5,8 m/s variiert die Verringerung der Modultemperatur, d.h. die Kühlleistung, zwischen 1,12°C und 14,48°C. Dies führt zu einer Leistungssteigerung von 0,12 % bis 7,18 % und zu einer Verbesserung des Modulwirkungsgrads von 0,04 % bis 6,45 %.

Die Erkenntnisse, die in dem einsehbaren Artikel ,Experimental Investigation on the Effect of Wind as a Natural Cooling Agent for Photovoltaic Power Plants in Desert Location’ vorgestellt werden, sind insofern wichtig, als sie Ingenieuren bei der Standortauswahl für PV-Kraftwerke helfen können, die Windgeschwindigkeit und -richtung als Kriterium einzubeziehen, um Rentabilität und Lebensdauer dieser Anlagen zu erhöhen.

Das SRM Institute of Science and Technology in Indien publiziert im September den Überblick ,A review of advanced cooling methodologies for solar photovoltaic and thermoelectric hybrid energy systems’, in welchem die verschiedenen Kühlmethoden und -möglichkeiten der aktuellen Technologien kritisch analysiert werden, hauptsächlich die Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung, Nanofluide und Phasenwechselmaterialien.

Im Oktober veröffentlicht eine Wissenschaftler-Gruppe unter der Leitung des Niederländischen Wasserforschungsinstituts (KWR Water Research Institute) in Nieuwegein einen Bericht über die kühlende Auswirkung von Gründächern auf Photovoltaik-Module. Konkret handelt es sich um ein blau-grünes Dach (Blue Green Roof, BGR), also ein bepflanztes Dach mit einem Wasserspeicher darunter. Diese künstlichen Feucht- oder Naßdächer nutzen die natürlichen Prozesse der Feuchtgebietsvegetation, des Bodens und der damit verbundenen mikrobiellen Vorgänge, um die Wasserqualität zu verbessern.

Das genutzte Dach auf einem Wohnhaus in Amsterdam besitzt ein Bewässerungssystem, das eine zusätzliche Wasserversorgung aus aufbereitetem Grauwasser von Duschen besitzt. Außerdem ist es mit einem Regenwasserrückhaltesystem, einem Kapillarbewässerungssystem und einer Substratschicht von 6 cm Dicke ausgestattet, auf der 26 einheimische Pflanzenarten ausgesät sind. Mit Hilfe des Grauwassers wird der Wasserstand in der Wasserspeicherschicht unter der Vegetation auf mindestens 50 mm gehalten, wodurch eine ausreichende Wasserversorgung der Vegetation gewährleistet wird.

Die Kühlleistung des BGR wird mit der eines herkömmlichen Bitumendachs verglichen. Beide Dächer sind mit 405 W Modulen ausgestattet, die Gesamtleistung der Anlage liegt bei 23,7 kW. Die Paneele für die detaillierte Überwachung werden so ausgewählt, daß sie auf dem BGR und dem Bitumendach so nah wie möglich beieinander liegen, wobei die Paneele, die dem Dachrand am nächsten liegen, ausgeschlossen wurden, da sie stärker vom Wind und weniger von der Vegetation beeinflußt werden.

Bei ihrer Analyse stellen die Wissenschaftler fest, daß die Solaranlage auf dem BGR bei Temperaturen über 10°C mehr Strom und eine höhere Energieausbeute von bis zu 4,4 % im Vergleich zum Bitumendach erzeugt. Bei einem BGR kann die Oberflächentemperatur um bis zu 4,64°C niedriger liegen als bei einem Bitumendach. Die Ergebnisse der Gruppe werden in dem Artikel ,Increasing solar panel output with blue-green roofs in water-circular and nature inclusive urban development’ vorgestellt, der im Netz vollständig einsehbar ist.

In diesem Zusammenhang sei auch auf eine Studie des Ökostromanbieters Polarstern GmbH in München und der Wilhelm Büchner Hochschule in Darmstadt hingewiesen, die gemeinsam untersucht haben, wie hoch der Einfluß einer Dachbegrünung auf den Ertrag einer Solaranlage auf den gleichen Dach ist.

Das Ergebnis der im August 2021 veröffentlichten Arbeit: Durch den kühlenden Effekt der Transpiration und Verdunstung über die Pflanzen sowie deren Fähigkeit zur Staubabsorption läßt sich die PV-Leistung einer Solaranlage auf Gründächern im Vergleich zu unbegrünten um 4,3 - 8 % steigern.

In einem wesentlich größeren Kontext veröffentlicht ein Team um Jingchao Long von der Guangdong Ocean University im Januar 2024 das Ergebnis einer Computersimulation, in der ein Fünftel der Fläche der Sahara mit Solarzellen überzogen wird. Als Resultat verschieben sich die Regengebiete der Erde und die Wüste kann, wie vor tausenden von Jahren, wieder grün werden. Wenn Millionen Paneel auf einer großen Fläche verteilt werden, heizt sich der gesamte Bereich auf, was wiederum Auswirkungen auf die Wolkenbedeckung hat und darauf, wie viel Sonnenenergie weltweit erzeugt werden kann.

Zu den Regionen, die durch einen solchen Eingriff, wie unwahrscheinlich er aus sei, bewölkter werden und weniger Solarstrom erzeugen könnten, gehören der Nahe Osten, Südeuropa, Indien, Ostchina, Australien und der Südwesten der USA. Zu den Gebieten, die mehr Solarenergie erzeugen würden, gehören Mittel- und Südamerika, die Karibik, das Zentrum und der Osten der USA, Skandinavien und Südafrika.

Etwas Ähnliches passiert bei der Simulation der Auswirkungen riesiger Solarparks in anderen Hotspots in Zentralasien, Australien, im Südwesten der USA und im Nordwesten Chinas. Die Installationen führen anderswo zu massiven Klimaveränderungen. Beispielsweise würden riesige Solarparks, die einen Großteil des australischen Outbacks abdecken, dafür sorgen, daß es in Südafrika sonniger, in Großbritannien jedoch bewölkter wird, insbesondere im Sommer.

Im Oktober 2023 erscheint die Studie ,Passive Thermal Management of a PV Module Using Fins of Various Geometries: A Numerical Study’ von Forschern der Delhi Technological University, in welcher die Betriebstemperatur eines monokristallinen Silizium-PV-Moduls mit luftgekühlten Kühlkörpern aus Kupfer numerisch untersucht wird. Hier wird eine Senkung der durchschnittlichen Betriebstemperatur um 28°C erreicht.

Ein Forschungsteam der Universität Port Said sowie des ägyptischen Ministeriums für Elektrizität und erneuerbare Energien wiederum veröffentlicht im Oktober 2023 eine Studie über eine neuartige Wärmesenke zur Verringerung der thermischen Degradation schwimmender Photovoltaikanlagen, die aus teilweise untergetauchten, winkelförmigen und perforierten Lamellen besteht und die Wärmeabfuhr der Anlagen sehr effizient verbessert.

Bei einer Wasserströmung von 0,3 m/s und einem Wind von 5 m/s führt der Einsatz der Kühlrippen zu einer Senkung der Betriebstemperatur um 33,31 % und damit zu einer Steigerung des elektrischen Wirkungsgrads um 28,11 %. Der Bericht mit dem Titel ,An innovative cooling technique for floating photovoltaic module: Adoption of partially submerged angle fins’ , in welchem auch Vergleiche mit anderen, ähnlichen Ansätzen zu finden sind, ist im Netz vollständig einsehbar.

Forscher um Adeel Waqas von der National University of Sciences & Technology (NUST) in Pakistan melden im November, daß sie eine Reinigungstechnologie für Solarmodule entwickelt haben, die auch eine kühlende Wirkung hat. Das autonom funktionierende Wasser-Sprühsystem besteht aus einer langen Stahlstange, die an der Oberseite des Solarmoduls angebracht und mit acht Flachstrahldüsen ausgestattet ist, die täglich fünf Minuten lang ein gleichmäßiges Sprühmuster über der Vorderseite des Moduls erzeugen. Anschließend wird das Wasser wieder aufgefangen und dann gefiltert, was eine Wasserrückgewinnung von 85 % ermöglicht.

Bei Tests an der NUST in Islamabad wird die Leistung des Systems mit der einer Referenzanlage ohne die Reinigungstechnik verglichen. Zum einen stellen die Wissenschaftler fest, daß das gereinigte PV-Paneel einen um bis zu 13,74 % höheren Strom als das Referenzpaneel liefert, und zum anderen, daß das über das Modul fließende Wasser die Betriebstemperatur im Vergleich zur Referenzanlage um bis zu 0,8°C senken kann. Der Bericht trägt den Titel ,A building integrated solar PV surface-cleaning setup to optimize the electricity output of PV modules in a polluted atmosphere’.

Ebenfalls im November veröffentlichen das N. K. Orchid College of Engineering and Technology und die Shivaji University in Indien die Studie ,Improving Conversion Efficiency of Solar Panel by Cooling System’, die sich mit einer aktiven Wasserkühlung befaßt.

Der letzte Bericht im Dezember dieses Jahres stammt von einer internationalen Forschungsgruppe, an der Wissenschaftler des Thiagarajar College of Engineering in Indien, der University of Queensland in Australien und der University of California, Los Angeles (UCLA) beteiligt sind. Bei der beschriebenen Technologie handelt es sich um ein ein passives Kühlsystem für PV-Module, das auf drei Kühlquellen basiert: Phasenwechselmaterial (PCM), Kühlrippen und Wasser. Der im Netz einsehbare Artikel trägt den Titel ,An experimental investigation on coalescing the potentiality of PCM, fins and water to achieve sturdy cooling effect on PV panels’.

Die Kombination wird gewählt, um durch den Einsatz von Kühlrippen den Nachteil des PV-PCM-Systems zu mildern, indem die Kühlrippen dem PCM die Wärme effizient entziehen. Gleichzeitig wird Wasser verwendet, um den Wärmeübertragungsprozeß durch Energiespeicherung und Verdampfung zu beschleunigen.

Die sehr klein umgesetzte Versuch, der bereits im Oktober 2020 in der südindischen Stadt Madurai durchgeführt wurde, besteht aus einem polykristallinen 5 W PV-Paneel, das in HS 29 PCM mit einer Schmelztemperatur von 29°C und einer Dicke von etwa 2 mm eingebettet ist. Auf der Unterseite des PCM ist eine flache Platte mit Kühlrippen aufgeklebt. Das System befindet sich in einem Kunststoffbehälter, in welchem die Rippen mit Wasser bedeckt sind. Getestet wird es im Vergleich zu einem identischen Paneel ohne Kühlung.

Im Durchschnitt trägt das neuartige System dazu bei, die Temperatur der Paneele um 10,14°C zu senken. Die höchste Temperaturdifferenz von 16,7°C wird Anfang Oktober erreicht. Als Resultat liegt die Tagesleistung der vorgeschlagenen Konfiguration um 8,12 - 9,39 % höher als die der Referenzanlage. Auch die maximale Leistung des gekühlten Paneels ist 20,25 % höher als die des Referenzpaneels. Die durchschnittliche Effizienzverbesserung liegt zwischen 0,78 % und 1,08 %.

Die erste Studie im Januar 2024 ist von Wissenschaftlern unter der Leitung der japanischen Kyushu University verfaßt und betrifft eine neue Technik, um die Betriebstemperaturen von PV-Modulen zu senken, die auf der Taupunktverdunstungskühlung (Dew-Point Evaporative Cooling, DPEC) basiert.

DPEC ist eine Wärme- und Stoffübertragungstechnik, die in mehreren Industriezweigen zur Energieeinsparung eingesetzt wird. Diese Technik ist eine der effektivsten und energieeffizientesten Methoden zur Abkühlung heißer Luft. Sie hat eine höhere Kühleffizienz als die herkömmliche Verdunstungskühlung und kann die Taupunkttemperatur erreichen, d.h. den Temperaturpunkt, an dem die Luft keinen Wasserdampf mehr aufnehmen kann und der immer niedriger oder gleich der Lufttemperatur ist.

Die DPEC-Systeme sind in der Regel so konzipiert, daß sie Luft als Arbeitsmedium in einen feuchten Kanal einleiten. Dadurch wird der Wärme- und Stoffübertragungsprozeß im Naßkanal aufgrund der niedrigeren Temperatur der einströmenden Arbeitsluft verbessert. Die Abluft kann die Sättigung erreichen, während die Zuluft im Trockenkanal ihre Taupunkttemperatur erreichen kann.

Das vorgeschlagene neue System besteht aus zwei Naßluftkanälen, von denen sich einer im DPEC-System selbst befindet und ein weiterer auf der Rückseite des PV-Paneels angebracht ist. In diesen wird aus einem separaten Taupunkt-Verdunstungskühler nahezu gesättigte Luft eingeleitet, wodurch eine weitere Verdunstungskühlung stattfindet, die zu einem maximalen Kühleffekt führt.

Beim Vergleich des mit der neuen Technik gekühlten Moduls mit einem ungekühlten Modul und mit Modulen, die mit direkter Verdunstungskühlung und sensiblen Kühlsystemen auf DPEC-Basis gekühlt werden, erbringt das vorgeschlagene System in allen Fällen eine bessere Kühlleistung, mit der der Wirkungsgrad der Solarzellen um 11,4 - 16,5% erhöht werden kann. An der vollständig einsehbaren Veröffentlichung mit dem Titel ,Dew-point evaporative cooling of PV panels for improved performance’ sind auch Kollegen der Queen’s University Belfast beteiligt.

Ebenfalls im Januar veröffentlichen das National Institute of Technology und die Harcourt Butler Technical University in Indien die Studie ,Thermodynamic evaluation of water-cooled photovoltaic thermal system with PCM-based thermal energy storage’. Hier wird zur Speicherung von Wärmeenergie organische sPhasenwechselmaterial auf der Rückseite des Photovoltaikmoduls verwendet, wobei zur Entnahme der gespeicherten Wärme ein Platten- und Röhrenabsorber mit einem spiralförmigen Kühlwasserkreislauf innerhalb eines PCM-Behälters konstruiert wird. Bei einer Wasserdurchflußrate von 1 Liter pro Minute wird eine maximale Reduzierung der Modultemperatur um 27 % erreicht.

Im März 2024 folgt eine Untersuchung von Forschern des International College of Engineering and Management in Oman und der Universiti Teknologi Petronas in Malaysia, die die Auswirkungen von Kühlung und Intervallreinigung auf PV-Anlagen unter Wüstenbedingungen analysieren, um neue Erkenntnisse über den Einfluß von Kühlung und Reinigung auf die Verbesserung der Leistung von Solarzellen zu gewinnen. Der Text ,Effects of cooling and interval cleaning on the performance of soiled photovoltaic panels in Muscat, Oman’ ist vollständig einsehbar.

Bei den Tests in Maskat, der Hauptstadt des Oman, werden mehrere monokristalline Module mit thermischen Sensoren ausgestattet und zwei Wochen lang durchgemessen. Ein Paneel, das weder gereinigt noch mit Wasser gekühlt wird, dient als Referenz, während ein anderes alle drei Tage mit Handtüchern gereinigt wird. Über ein drittes Paneel wird einmal am Tag Wasser durch neun parallel angeordnete Düsen gespritzt, in der ersten Woche eine halbe Minute lang, in der zweiten Woche jeweils zwei Minuten.

Eine Verbesserung der Leistung und des Wirkungsgrads wird bei Paneelen mit einer täglichen Wassereinspritzung von 120 Sekunden beobachtet, wobei die höchste erreichte Leistung 76,68 W beträgt und der höchste Wirkungsgrad 18,68 %. Das Paneel, das nur 30 Sekunden lang gereinigt wird, erreicht hingegen eine maximale Leistung von nur 67,13 W bei einem maximalen Wirkungsgrad von 15,8 %. Letztlich zeigen die Ergebnisse, daß die Einführung von Wasser zur Kühlung zu einer Steigerung der Energieausbeute um 23,9 % führt.

Im März veröffentlichen auch Wissenschaftler der Babol Noshirvani University of Technology im Iran eine Studie unter dem Titel ,Recent techniques for cooling of concentrated photovoltaic thermal systems’, in der neuartige Kühltechniken für PV- und CPV-Systeme untersucht und in Vorderseiten- und Rückseiten-Kühlungsmethoden unterteilt werden.

Ebenfalls im März veröffentlicht ein großes Team, an dem Wissenschaftler der britischen The Open University, der University of Surrey, der National University of Singapore, der University AP Andhra Pradesh in Indien sowie der Firma Sunkonnect Pte Ltd. aus Singapur beteiligt sind, eine Studie, die die Vorteile, Herausforderungen und Forschungslücken bei verschiedenen photovoltaischen Kühltechnologien detailliert analysiert und insbesondere die auf Nanotechnologie basierenden PV-Kühlsysteme und ihre Effektivität diskutiert. Der Text trägt den Titel ,Emerging trends in cooling technologies for photovoltaic systems’.

Der Bericht bietet einen umfassenden Überblick über die neuesten Kühltechniken, die Absorptions- und Adsorptionssysteme, PV/T-Hybridsysteme, mikrotechnische Systeme sowie wasser- und luftbasierte Kühlsysteme umfassen. Anschließend geht er auf vier primäre Kühltechniken ein: Aktive Kühlung, passive Kühlung, nanofluidbasierte Kühlung und thermoelektrische Kühlung. Zudem werden passive Kühlmethoden, wie Strahlungskühlung, Verdunstungskühlung, Flüssigkeitseintauchen und Materialbeschichtungen näher erläutert.

 

Im April 2024 folgt eine Studie von Wissenschaftlern der Monash University Malaysia sowie der Tunku Abdul Rahman University of Management and Technology, in der sie untersuchen, wie Graphen und Graphenderivate als Materialien zur Senkung der Solarzellentemperatur eingesetzt werden können. Der ,Application of graphene and graphene derivatives in cooling of photovoltaic (PV) solar panels: A review’ Text ist im Netz einsehbar.

Bei der Verwendung für PV-Kühlanwendungen kann Graphen, das seit 2004 als Medium zur Verbesserung der Wärmeübertragung in Kühlsystemen genutzt wird, auf unterschiedliche Weise eingesetzt werden. Es kann als selektive Absorberschicht verwendet oder als Nanofluid in eine Arbeitsflüssigkeit eingebettet werden. Ebenso können Graphen-Nanopartikel thermischen Grenzflächenmaterialien (TIMs) oder Phasenwechselmaterialien (PCMs) zugesetzt werden, die zur Kühlung von Solarmodulen verwendet werden.

Die Forscher unterteilen alle Graphen-Technologien für die Photovoltaik in zwei Kategorien - passive und aktive Kühlung, wobei die erste Kategorie wiederum in Vorbeleuchtungs- und Nachbeleuchtungsverfahren unterteilt wird. Das erste Verfahren umfaßt alle Ansätze, die das Sonnenspektrum zerlegen, bevor es die Solarzellen erreicht, und beinhaltet alle Arten von Graphen-beschichteten Neutraldichtefiltern (GCND), die als selektive Absorberbeschichtungen verwendet werden.

Das zweite Verfahren umfaßt wiederum alle Methoden, die einen Wärmeempfänger verwenden, um die von den Solarzellen erzeugte Wärme abzuführen. Dabei wird Graphen als wärmeleitender Füllstoff in TIMs und PCMs eingesetzt.

Die Kategorie der aktiven Kühlung schließt alle Techniken ein, die auf Graphen-Nanofluiden als Arbeitsflüssigkeit basieren. Diese Techniken erfordern, wie alle aktiven Kühlmethoden, den komplexen und kostspieligen Einsatz von Pumpen und Rohren, um das Nanofluid um die Module herum zirkulieren zu lassen.

Zu den aufgeführten Erkenntnissen gehören, daß die CPV-Brennflecktemperatur mit einem Graphen-beschichteten ND-Filter im Vergleich zum Infrarotfilter um 20 % gesenkt wird und einen um 12 % höheren Wirkungsgrad zeigt. Der mit Graphen verstärkte TIM reduziert wiederum den Temperaturanstieg um 34 % im Vergleich zum herkömmlichen TIM. Auch der Einsatz von GnP-verstärktem PCM verbessert die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad des PV-Solarsystems, während das GnP-Nanofluid die Paneeltemperatur um ∼17 °C verringert, was einer Leistungssteigerung von ∼3 W entspricht. Zudem verzeichnet das GnP-Nanofluid den höchsten PV-Wirkungsgrad von 14,4 %.

Eine weitere im April veröffentlichte Studie stammt von einem großen Forschungsteam, dem Wissenschaftler des Coimbatore Institute of Technology, des Sri Ramakrishna Institute of Technology, des Theni Kammavar Sangam College of Technology, des P.S.R. Engineering College und des Kongu Engineering College in Indien sowie der Qatar University angehören. Die Studie untersucht die Verwendung von Neem-Öl als Kühlmittel für PV-Module.

Den Forschern zufolge wirkt Neem-Öl, das aus den Samen des Neem-Baums gewonnen und üblicherweise als Medizin für einige Hautkrankheiten verwendet wird, wie phasenwechselnde Materialien, die große Mengen latenter Wärme aufnehmen, speichern und wieder abgeben können. Es hat eine gute thermische Reichweite, eine hohe physikalische Dichte, ist chemisch stabil und nicht korrosiv. Außerdem ist es umweltfreundlich, wiederverwendbar, kostengünstig und leicht zu entsorgen.

Für ihren Versuchsaufbau verwenden die Wissenschaftler mono- und polykristalline 50 W Module, auf deren Rückseite sie zu gut 83 % gefüllte Öltank plazieren, der Rest der Rückseitenfläche wird als ,Atmungsraum’ frei belassen. Das Öl wird alle 30 Minuten ausgetauscht, wobei das bereits zur Kühlung verwendete Öl in einen Lagertank geleitet wird. Bei den mono- und polykristallinen Zellen werden die Temperaturen durch das Neemöl-Kühlsystem um 2,29 % bzw. 4,34 % gesenkt, während der Wirkungsgrad um 15,0 % bzw. 17,8 % steigt.

Im Vergleich mit anderen Ölen, die in der bisherigen Literatur zur Kühlung verwendet wurden, erzielt Neemöl damit die beste Leistung, denn Kokosnußöl liegt bei 9,0 % und 10,40 %, Sesamöl bei 8,90 % und 13,90 % und Erdnußöl bei 14,0 % und 16,80 %. Die Studie ,A new method for improving the solar photovoltaic unit efficiency through neem oil as coolant medium for high power applications - an experimental investigation’ ist im Netz einsehbar.

Das National Institute of Technology Calicut in Indien publiziert im April einen Bericht namens ,Thermal management and performance augmentation of photovoltaic module subjected to actual dynamic conditions with passive cooling techniques’, in dem durch numerische Simulation die kombinierte Wirkung von Lamellenanzahl und Neigung auf die Gesamtleistung des PV-Moduls in einem PV-PCM-System mit Lamellen analysiert wird. Ein PV-PCM-System mit drei Rippen und einem Neigungswinkel von 45° erzeugt dabei die höchste elektrische Leistung von 165,87 W und die niedrigste Spitzentemperatur von 50,23 °C.

Die nächste Studie im Mai stammt von Forschern der King Abdulaziz University (KAU) in Saudi-Arabien, die die Verwendung von Polymerbeschichtungen wie Polyethylenterephthalat (PET) und Polydimethylsiloxan (PDMS) zur passiven Strahlungskühlung von Photovoltaikmodulen untersuchen und feststellen, daß beide Materialien die Betriebstemperatur von PV-Modulen um 1,15°C - 1,35°C senken können. Die im Netz einsehbare Studie trägt den Titel ,Polymeric coatings for passive radiative cooling of PV modules in hot and humid weather: Design, optimization, and performance evaluation’.

Im Juni 2024 folgt ein Bericht der Ural Federal University in Russland, der University of Yaoundé im Kamerun, dem Indian Institute of Technology Guwahati, dem Department of Civil Engineering in Pune und der School of Technology in Vadodara in Indien mit dem Titel ,Empirical survey on the effect of straight and wavy fins integrated with wind stream as heat sink of photovoltaic panels’, in dem die Wirkung von zwei Lamellenanordnungen - einer geraden und einer gewellten - untersucht wird. Beide wurden in zwei verschiedenen Anzahlen von 10 und 20 getestet, mit und ohne Wind von 2 km/h.

Es zeigt sich, daß die gewellten Lamellen aufgrund ihrer größeren Kontaktfläche eine niedrigere Temperatur aufweisen als die geraden Lamellen. Die Verwendung von 10 gewellten Lamellen führt dazu, daß die Temperatur des PV-Panels 7°C niedriger ist als die von 10 geraden Lamellen.

Eine weitere einsehbare Studie im Juni trägt den Titel ,Long-term outdoor testing of vortex generators for passive PV module cooling’ und stammt von Forschern der University of New South Wales (UNSW) in Australien, die rechteckige Wirbelgeneratoren (o. Wirbelerzeuger, Vortex Generators, VGs) entwickelt haben, die die Betriebstemperatur von Solarmodulen um 1,5°C - 2,5°C senken können. In einer Versuchsanlage in Sydney werden zwei verschiedene Prototypen auf der Basis von Aluminium und einem leitfähigen, 3D-druckbaren Polymer getestet.

Wirbelgeneratoren oder Turbulatoren werden üblicherweise eingesetzt, um die Strömungsablösung zu verzögern, und sind häufig an den Außenflächen von Fahrzeugen, auf der Tragflächenoberseite von kleineren Flugzeugen und an Windturbinenflügeln angebracht. Mit rechteckigen Flügel-VGs hatte das Forscherteam bei früheren Experimenten in Innenräumen unter freien Konvektionsbedingungen eine Kühlung von bis zu 3°C erreicht.

Durch die Einführung von Längswirbeln in der Nähe der Rückseite des Moduls wird der konvektiven Wärmefluß verbessert und so die Betriebstemperatur des Moduls weiter gesenkt, was in dieser Studie auf eine PV-Anlage mit offenem Gestell auf dem Dach eines Gebäudes in Sydney angewandt wird.

Dabei werden VGs mit einer Größe von 2 x 3 cm und einer rechteckigen, in einem 30° Winkel gebogenen Flügelform verwendet. Jeweils 400 Stück aus Aluminium bzw. aus einem leitfähigen 3D-druckbaren Polymer werden auf der Rückseite von zwei verschiedenen 1,00 × 1,65 m großen polykristallinen 285 W Paneelen angebracht, wo sie 12,5 % der Modulrückseite bedecken.

Bei den Tests zeigen beide VG-Versionen bei Süd- und Westwind eine gleichwertige Leistung, was auf die Dominanz des Mechanismus der Wirbelerzeugung hinweist. Die VGs auf Basis des 3D-gedruckten Polymers senken die Temperatur der Module bei hoher Einstrahlung, wenig Wind oder Südwind um bis zu 1,5°C, während die Aluminium-VGs die Temperatur um etwa 2°C bei hoher Einstrahlung oder 2,5°C bei hoher Temperatur und hoher Windgeschwindigkeit reduzieren.

Ebenfalls im Juni berichtet ein Forschungsteam aus Akademikern des irakischen Ministeriums für Wissenschaft und Technologie, des Ölministeriums, der Al-Kitab University und der Northern Technical University über den Einsatz der numerischen Strömungsmechanik zur Simulation des Betriebs eines 100 W PV-Paneels mit Bodenkühlung. Der im Netz einsehbare Bericht trägt den Titel ,Photovoltaic panel cooling using ground source energy: CFD simulation’.

Im Vergleich zu früheren Studien, die sich auf die Verwendung von bodengekühltem Wasser konzentrierten, was in vielen Regionen, insbesondere in Wüstengebieten, nicht praktikabel ist, befaßt sich das Team mit der Verwendung von gekühlter Luft, die durch unterirdische Rohre zirkuliert, um PV-Module zu kühlen. Mit der vorgeschlagenen Technik kann die Temperatur des Paneels um bis zu 28 % gesenkt werden, wobei die Stromerzeugung um bis zu 6,5 % steigt.

Und noch ein weiterer Bericht aus dem Irak erscheint im Juni, diesmal von Wissenschaftlern der Northern Technical University und der AlNoor University, die die Fähigkeit von verschiedenen Arten von Phasenwechselmaterialien zur Kühlung von PV-Modulen bei extrem heißen Temperaturen untersuchen. Die in dieser Studie verwendeten PCMs sind natürliches Bienenwachs, Paraffin und eine Kombination aus beiden. In der Stadt Hawija im Nordirak wird eine Versuchsanordnung aus vier 50 W Paneelen mit polykristallinen Zellen auf einem Dach installiert.

Ein Paneel wird als Referenz im Originalzustand belassen, während die anderen drei mit 5 Liter fassenden Hohlräumen auf der Rückseite versehen werden, um die verschiedenen PCMs aufzunehmen. Die Test erfolgen im Juli 2022 bei einer Umgebungstemperatur von 43,5°C. Dabei weist das Paneel ohne PCM Temperaturen zwischen 38,65°C und 69,4°C, mit einer durchschnittlichen Tagestemperatur von 54,7°C auf. Im Gegensatz dazu erreicht das PV-Modul mit Paraffin eine durchschnittliche Temperatur von 54,21°C, das Paneel mit Bienenwachs 51,66°C. Das Paneel mit der Mischung beider Materialien erreicht dagegen eine durchschnittliche Temperatur von 53,62°C.

Im Juli 2024 stellt eine Gruppe von Wissenschaftlern der Universität von Malta um Luciano Mulè Stagno ein Kühlsystem für PV-Module vor, das eine Wasserkammer nutzt, die in einen Spalt auf der Rückseite von Standardmodulen eingesetzt werden kann. Das System besteht aus einer Bodenplatte, die hermetisch an den Rahmensockeln eines Solarmoduls befestigt wird, um eine Wasserkammer direkt unter der Rückseite des Moduls selbst zu schaffen, nebst einem Wassereinlaß und einen Wasserauslaß an gegenüberliegenden Seiten der Rahmenwand.

Das System umfaßt zudem einen Strahlverteiler, der hydraulisch mit dem Einlaß an der Innenseite der Rahmenwand verbunden und so konfiguriert ist, daß er eine gleichmäßige Flüssigkeitsdynamik in der Wasserkammer erzeugt, mit dem Ziel, das heiße Wasser mit so wenig Vermischung wie möglich auszustoßen.

Die bereits im März 2023 patentierte Kühlungslösung für den Nachrüstmarkt, die pragmatisch Innovative Photovoltaic Cooling System (IPCoSy) genannt wird, soll einen Nettogewinn an elektrischer Energie von mehr als 9 % liefern (WO/2023/026274). Der gleichnamige Bericht ,Innovative Photovoltaic Cooling System’ ist im Netz einsehbar. Als Produkt scheint es den Kühler aber noch nicht zu geben.

Noch ein Bericht im Juli, diesmal von Forschern der Amity University Uttar Pradesh, der Gujarat Ayurved University, der Konkuk University in Indien sowie der Amity University Dubai, bietet eine Übersicht über verschiedene Kühlstrategien, wie z.B. Wärmerohre, Kühlkörper, Luft- oder Wasserkanäle, Wasserspray, Verwendung von Phasenwechselmaterial, Mikrokanäle für den Kühlmitteldurchgang und thermoelektrische Peltier-Module.

Dem Bericht ,Enhancing Solar Photovoltaic System Efficiency: Recent Progress on Its Cooling Techniques’ zufolge werden bei passiven Kühltechniken aufgrund der Temperatursenkung um etwa 11°C Effizienzsteigerungen von bis zu 44,12 % erzielt, während bei aktiven Kühltechniken PV-Temperatursenkungen von bis zu 55°C festgestellt werden.

Forscher der mexikanischen Universität Sonora (UNISON) und des Nationalen Technologischen Instituts von Mexiko berichten im August 2024 über eine neue Technologie zur Kühlung von Solarmodulen, die Nanofluide verwendet, die in einen einzigen Aluminiumkanal eingebettet sind, der auf der Rückseite des Moduls angebracht ist. In ihrer Simulation verwenden sie verschiedene Arten von Nanofluiden, wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Kupfer(II)-oxid (CuO) und Zinkoxid (ZnO).

Außerdem werden im Inneren des Kühlkanals neun Umlenkbleche angebracht, um die Wärmeabfuhr zu verbessern. Das Einkanal-Kühlsystem kann die PV-Stromerzeugung um bis zu 2 % verbessern. Die Publikation ,Numerical study of the thermal performance of a single-channel cooling PV system using baffles and different nanofluids’ ist vollständig einsehbar.

Ebenfalls im August veröffentlicht die Amasya University in der Turkei den Artikel ,Comparative Analysis of Hybrid and Active Cooling Systems for Concentrated Photovoltaic Panels Using a 1-D Mathematical Model: A Distinctive Perspective’, der ein hybrides Kühlsystem untersucht, das einen aktiven und einen passiven Ansatz kombiniert. Hierbei dient ein Phasenwechselmaterial als passive Kühlmethode, während eine Flüssigkeit als aktives Kühlmedium eingesetzt wird.

In der heoretischen Studie wird ein Kanal in die Basis des PV-Paneels eingebracht, durch den die Flüssigkeit fließt. Zusätzlich wird eine PCM-Schicht am Boden des Wasserkanals plaziert, um die durchschnittliche Temperatur der Flüssigkeit zu senken und so mehr Wärme im Vergleich zum direkten Kontakt mit dem PV-Paneel zu entziehen. Die Berechnungen zeigen, daß das vorgeschlagene Modell zu einer Verbesserung des PV-Wirkungsgrades von 1,6 - 3,8 % führt.

Forscher der chinesischen Shandong University und der Xi’an Jiaotong University stellen im September 2024 eine Strahlungskühlungsabdeckung für PV-Paneele vor, die mittels mit Sodaglas dotierten Polydimethylsiloxan-Folien (PDMS) die Effizienz von PV-Modulen um bis zu 3,72 % erhöht. Die Beschichtung erreicht eine Sonnendurchlässigkeit von 94,8 % und einen Emissionsgrad des Himmelsfensters von 95,3 %. Der Artikel ,The potential of radiative cooling enhanced photovoltaic systems in China’ ist vollständig einsehbar.

Außerdem stellt im September ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Prof. Qiaoqiang Gan von der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), an dem auch Kollegen der King Fahd University of Petroleum and Minerals in Saudi-Arabien sowie der Stanford University und der University of Pennsylvania in den USA beteiligt sind, eine innovative Lösung für zwei Herausforderungen zugleich vor: der Kühlung von Solarzellen und der Wassergewinnung aus der Luft - deren solargestützte Versionen schon umfangreich in der Jahresübersicht 2015 behandelt wurden.

Die neue Lösung baut auf einer früheren Technologie von Prof. Gan auf, die als vertikale doppelseitige Architektur bezeichnet wird und ursprünglich entwickelt worden war, um Wärme in den Himmel abzustrahlen und so die Solarzellen zu kühlen, ohne jedoch dabei Wasser zu gewinnen.

Die neue Vorrichtung besteht aus günstigen, leicht verfügbaren Materialien und basiert auf einer speziellen Beschichtung, einem skalierbaren Polydimethylsiloxan-Elastomer. Dies ist ein flexibles, wasser- und hitzebeständiges Silikon-Polymer, das mit Silikonöl geschmiert wird. Die Beschichtung verhindert effektiv das Anhaften von Wassertropfen und ermöglicht eine echte passive Wassersammlung, angetrieben nur durch die Schwerkraft.

Ein 30 x 30 cm großes Exemplar der Vorrichtung wird im Laufe eines Jahres sechsmal in Thuwal, nördlich von Dschidda, getestet, wobei es dem Team zufolge die Wassersammelrate im Vergleich zu alternativen Technologien nahezu verdoppelt. Die Übersicht des Artikels ,Lubricated Surface in a Vertical Double-Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting’ enthält leider keine Daten zum Kühleffekt.

Ebenfalls im September 2024 wird eine Publikation der South China University of Technology angekündigt, die unter dem Titel ,Hygroscopic hydrogel-based cooling system for photovoltaic panels: An experimental and numerical study’ im Dezember erscheinen wird. Darin geht es um eine passive Kühltechnologie für Solarmodule, die ein hygroskopisches Hydrogel als Kühlmittel verwendet.

Die Forscher hatten herausgefunden, daß ein Hydrogel aus Polyacrylamid-Polymer und Lithiumchlorid die Temperatur von PV-Modulen um bis zu 7,5 % senken kann. Im Vergleich zum ungekühlten System steigert das Hydrogel die Stromausbeute des gekühlten Systems um bis zu 2,1 %. Um die Funktionsmechanismen und die für die Kühlleistung verantwortlichen Faktoren zu analysieren, wird zudem ein mathematisches Modell entwickelt.

Im Oktober folgt eine Untersuchung der indischen Shoolini University über einen Feldversuch zu den Auswirkungen von thermoelektrischen Kühlern (Thermoelectric Coolers, TECs) und Wasserkühlern auf die Temperaturen von PV-Modulen. Das Experiment, das in Shimla, der Hauptstadt des nordindischen Bundesstaates Himachal Pradesh, durchgeführt wird, umfaßt zwei polykristalline Silizium-Zellen - eine ohne Kühlung (PV-Zelle 1) und eine mit Wasserkühlung und TEC (PV-Zelle 2).

Dabei zeigt sich, daß die thermoelektrische Kühlung in Kombination mit Wasser sehr effektiv ist und die PV-Zelle 2 auf 25°C halten kann, während die PV-Zelle 1 in einem maximalen Bereich von 55°C - 63°C betrieben wird, was eine Temperaturunterschied von 30°C - 38°C bedeutet. Dabei trägt der TEC selbst - zusätzlich zur Wasserkühlung - zu einem Temperaturunterschied von mindestens 10°C bei.

Eine weitere, einsehbare Publikation im Oktober trägt den Titel ,MgO and ZnO nanofluids passive cooling effects on the electricity production of photovoltaic panels: a comparative study’, stammt von der Tanta University in Ägypten und befaßt sich mit dem Einfluß von wasserbasierten MgO- und ZnO-Nanofluiden mit Volumenkonzentrationen von 0,01 %, 0,03 % und 0,05 % auf die thermischen und elektrischen Eigenschaften von polykristallinen Silizium-Solarmodulen.

Die Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrads erreicht ihr Maximum bei einer Volumenkonzentration von 0,05 % mit 20,90 % bzw. 21,65 % für MgO- und ZnO-Nanofluide. Gleichzeitig beträgt bei dieser Konzentration die durch das MgO-Nanofluid erzielte Temperaturreduzierung 20,72 % und übertrifft damit die durch das ZnO-Nanofluid erzielte Reduzierung von 15,80 %.

Alles in allem ist das Thema Kühlung von PV-Paneelen auch weiterhin im Bereich von Wissenschaft und Forschung angesiedelt - aber noch immer nicht auf dem Markt angekommen. Informationen speziell zur Kühlung von Konzentrator-Solarzellen finden sich im Kapitelteil der Optimierungs- und Verstärkungstechniken.

 

Das quantitative Jahresfazit lautet:

In dem im Oktober veröffentlichten World Energy Outlook 2020 der International Energy Agency (IEA) wird darauf hingewiesen, daß die Photovoltaik inzwischen in den meisten Ländern billiger ist als neue Kohle- oder Gaskraftwerke, und daß Solarprojekte nun einige der niedrigsten Elektrizitätskosten der Geschichte bieten.

Aus der jährlichen Renewable Capacity Statistics 2021 der International Renewable Energy Agency (IRENA) geht hervor, daß 2020 der weltweite Photovoltaik-Zubau 127 GW betragen hat, 78 GW davon in Asien, so daß die global installierte Leistung nun 714 GW beträgt. Im internationalen Vergleich erreichte China einen Zuwachs von 49 GW, die USA einen von 15 GW, während der drittgrößte PV-Zubau mit einer neu installierten Leistung von 11 GW in Vietnam zu verzeichnen ist. Japan kommt auf mehr als 5 GW und Indien sowie Südkorea jeweils auf mehr als 4 GW.

Dem EU Market Outlook for Solar Power des Branchenverbandes Solarpower Europe zufolge, der im Dezember erscheint, ist die 2020 neu installierte Solarleistung in der EU um 11 % auf 18,2 GW gestiegen. Spitzenreiter in Europa ist Deutschland mit einem Zuwachs von 4,8 GW.

Weiter mit der photovoltaischen Nutzung 2021...