Wissenschaftler behaupten, dass Photovoltaikanlagen in Kombination mit thermoelektrischer Kühlung eine Amortisationszeit von 6 Jahren erreichen können

Ein Forscherteam der Central University of Technology in Südafrika hat ein Solarmodul entwickelt, das ein auf einem thermoelektrischen Kühler (TEC) basierendes Kühlsystem enthält.

TECs können Wärme durch den „Seebeck-Effekt“ in Elektrizität umwandeln. Dieser tritt auf, wenn ein Temperaturunterschied zwischen zwei verschiedenen Halbleitern eine Spannung zwischen den beiden Substanzen erzeugt. Diese Geräte werden typischerweise in industriellen Anwendungen eingesetzt, um überschüssige Wärme in Elektrizität umzuwandeln. Aufgrund ihrer hohen Kosten und begrenzten Leistung konnten sie jedoch bisher nicht in großem Maßstab eingesetzt werden.

„Das in dieser Studie vorgeschlagene PV-TEC-System besteht aus einem Photovoltaikmodul mit einem an der Rückseite angebrachten TEC-Gerät, einem an der gegenüberliegenden Seite des thermoelektrischen Geräts angebrachten Kühlkörper und einem Schaltmechanismus“, erklären die Wissenschaftler. „Das TEC wird von dem Photovoltaikmodul gespeist, das es kühlen soll.“

Die Gruppe führte eine numerische Simulation durch, um die Leistung des Systems zu bewerten. Außerdem wurde eine Optimierungsfunktion zur Leistungsmaximierung eingerichtet, die versucht, eine Zieltemperatur zwischen 23 °C und 27 °C aufrechtzuerhalten, wenn die Zelltemperatur 25 °C übersteigt. Das in der Simulation verwendete PV-Panel hatte eine Leistungsabgabe von 100 W, einen Wirkungsgrad von 17,8 Prozent und eine Größe von 20.200 cm3. Der TEC hatte einen maximalen Strom von 6,1 A, eine maximale Spannung von 17,2 V und eine Größe von 6,08 cm3. Der Kühlkörper hatte einen Wärmewiderstand von 2,6 C/W und eine Größe von 39,2 cm3.

„Für das untersuchte Szenario wurden meteorologische Daten aus Bloemfontein, Freistaat, Südafrika, verwendet“, sagten die Forscher. „Der spezifische Datensatz umfasst horizontale diffuse, normale diffuse und horizontale globale Bestrahlungsstärke sowie Umgebungstemperaturwerte, die einen typischen Wintertag am 17. Juli 2021 und einen Sommertag am 17. Januar 2021 beschreiben.“

Der Betrieb des Systems wurde sowohl an einem Sommer- als auch an einem Wintertag analysiert und seine Leistung mit der eines Referenz-PV-Moduls ohne TEC und Kühlkörper verglichen. Unter den simulierten Winterbedingungen überstieg die Zelltemperatur nie 25 °C, der TEC war also nicht aktiv.  Somit wurde sowohl im PV-TEC- als auch im Referenzfall eine Spitzentemperatur von 22,9 °C, eine konstante Leistungsabgabe von 86,9 W und eine Gesamtenergieabgabe von 363,47 Wh gemessen.

Im Sommer hingegen wurde TEC verwendet und ermöglichte es dem Panel, eine Spitzenleistung von 104,1 W zu erreichen, verglichen mit 94,4 W im Referenzfall. Die Spitzentemperatur im Referenzfall betrug 36,1 °C, während PV-TEC 25 °C nicht überschritt. Im TEC-Fall wurde eine Energieeffizienz von 603,60 Wh erreicht, verglichen mit 547,65 Wh im Referenzfall. „Die Ergebnisse unseres vorgeschlagenen Modells zeigen eine deutliche Verbesserung der Leistungsabgabe, insbesondere 9,27 Prozent im Sommer“, betonen die Wissenschaftler.

Basierend auf diesen Ergebnissen führten die Forscher eine wirtschaftliche Analyse mit einer angenommenen Lebensdauer von 20 Jahren für PV und PV-TEC und einer jährlichen Strompreiserhöhung von 10 Prozent sowie einem Zinssatz von 6 Prozent durch. Während der Anschaffungspreis des 100-W-Solarmoduls allein auf 1.235 ZAR (66,90 $) geschätzt wurde, beliefen sich die Gesamtkosten für das PV-TEC-Modell auf 1.562,77 ZAR.

„Der Break-Even-Punkt wird relativ früh während der Betriebsdauer des Projekts erreicht. Genauer gesagt liegt er bei 6,5 Jahren“, schlussfolgerten die Wissenschaftler. „Die Wirtschaftlichkeitsanalyse ergab zudem Kosteneinsparungen von 2.905,61 ZAR, was einer Einsparung von 10,56 Prozent über die gesamte Projektlaufzeit von 20 Jahren entspricht.“