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Die
Erfindung bezieht sich auf eine solarthermische, thermoelektrische
Stromerzeugungseinrichtung mit
- – einem
durch Sonneneinstrahlung erhitzbaren Absorber, der zumindest teilweise
innerhalb eines evakuierbaren Gehäuses angebracht ist,
- – einem thermoelektrischen Generator zur Erzeugung
eines elektrischen Stroms, der jeweils großflächig
an einander gegenüberliegenden Seitenflächen mit
dem Absorber und einem Wärmetauscher, der mit einem Rohleitungssystem
verbunden ist und von einem Arbeitsmedium durchströmbar
ist, thermisch verbunden ist
und
- – einem Durchflussregler, mittels dessen ein Fluss des
Arbeitsmediums durch den Wärmetauscher einstellbar ist.
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Eine
solarthermische, thermoelektrische Stromerzeugungseinrichtung mit
den oben genannten Merkmalen geht beispielsweise aus der
GB 2 172 394 A hervor.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer solchen
Stromerzeugungseinrichtung.
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Die
Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom, die so genannte
Fotovoltaik, gewinnt zunehmend an Bedeutung. Die Fotovoltaik erschließt dabei
zunehmend neue Anwendungsgebiete. In der Vergangenheit wurde die
Fotovoltaik vor allem zur Stromversorgung in der Raumfahrt oder
für elektrische Kleingeräte wie beispielsweise
Taschenrechner eingesetzt. In den letzten Jahren gewann die Fotovoltaik
aber auch in der Gebäudetechnik zunehmend an Bedeutung.
Zur direkten Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom werden
bei der Fotovoltaik Solarzellen verwendet. Typische Vertreter sind
Solarzellen mit mono- oder polykristallinem Silizium.
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Eine
weitere Möglichkeit, Sonnenenergie in elektrische Energie
umzuwandeln, gibt die
DE
37 04 559 A1 an. Die Druckschrift offenbart die Verwendung
eines thermoelektrischen Wandlers/Generators zur Stromerzeugung.
Ein solcher thermoelektrischer Generator vermag auf Grund einer
Temperaturdifferenz direkt elektrische Energie bzw. elektrischen Strom
zu erzeugen. Zu diesem Zweck wird an zwei sich gegenüberliegenden
Seiten des thermoelektrischen Generators eine Temperaturdifferenz
angelegt, so dass der thermoelektrische Generator eine warme und
eine kalte Seite aufweist. Gemäß der vorgenannten
Druckschrift wird ein thermoelektrischer Generator mit seiner warmen
Seite mit einem Solarabsorber verbunden. Die kalte Seite des thermoelektrischen
Generators wird mit einer Wärmesenke verbunden. Als Wärmesenke
kann beispielsweise Brunnenwasser verwendet werden. Eine Vorrichtung,
wie sie die
DE 37 04
559 A1 offenbart, kann insbesondere in heißen
Regionen der Erde zum Betrieb von Brunnenpumpen verwendet werden.
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Eine
weitere Anwendungsmöglichkeit für einen thermoelektrischen
Generator, der zwischen einer solarbetriebenen Wärmequelle
und einer großen Wärmesenke arbeitet, gibt die
FR 24 12 171 an. Gemäß dieser
Druckschrift kann mit Hilfe eines thermoelektrischen Generators
eine schwimmende Einheit, beispielsweise ein Schiff, mit elektrischem
Strom versorgt werden. Zur Stromerzeugung wird die warme Seite eines
thermoelektrischen Generators mit einem nachführbaren optischen
System erhitzt. Die kalte Seite des thermoelektrischen Generators
steht in thermischem Kontakt mit einer Wärmesenke, in diesem
Fall dem Wasser eines Ozeans.
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Die
Umwandlung von Sonnenlicht in Wärme, die so genannte Solarthermie,
ist ein weit verbreitetes Verfahren. Sie kommt unter anderem in
der Gebäudetechnik zum Einsatz. Dort wird die Solarthermie
zur Erzeugung von warmem Brauchwasser, beispielsweise für
die Heizung eines Gebäudes, verwendet. Die Umwandlung von
Sonnenlicht in Wärme erfolgt über einen Sonnenkollektor
bzw. Sonnenabsorber. Die am häufigsten verwende ten Sonnenkollektoren
sind so genannte Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren.
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Aus
der eingangs genannten Druckschrift
GB 2 172 394 A ist eine Stromerzeugungseinrichtung mit
den eingangs genannten Merkmalen zu entnehmen. Die Einrichtung umfasst
zwei in ihr Rohrleitungssystem integrierte Reservoire für
das Arbeitsmedium. Je nach Temperaturverhältnissen an einem Wärmetauscher
ihres Absorbers kann dabei der Bereich des Wärmetauscher
mittels eines Durchflussreglers, der eine Pumpe sowie verschiedene
Ventile umfasst, mit dem einen oder dem anderen Reservoir verbunden
werden. Auf diese Weise ist eine Temperaturdifferenz zwischen diesen
Reservoirs zu gewährleisten, die zu einem effektiven Betrieb
eines mit ihnen thermisch verbundenen thermoelektrischen Generators
genutzt wird.
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Die
US 2004/0025931 A1 offenbart
eine solarthermische Einrichtung zur gleichzeitigen Erzeugung von
elektrischer und thermischer Energie. Sie weist hierzu Fotozellen
auf, die thermisch mit einem Arbeitsmedium gekoppelt sind. Der Fluss
dieses Arbeitsmediums ist dabei so zu steuern, dass vorbestimmte
Temperaturverhältnisse an den Fotozellen zu deren effektiven
Betrieb eingehalten werden. Außerdem ist das Arbeitsmedium
indirekt mit einem thermoelektrischen Generator über einen
Zwischentank gekoppelt.
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Sowohl
bei der Fotovoltaik als auch bei der Solarthermie als auch bei der
Energieerzeugung mit Hilfe eines thermoelektrischen Generators stellt
sich das Problem, dass die zur Energiegewinnung nutzbare Fläche
stets begrenzt ist. Dieses Problem stellt sich insbesondere in der
Gebäudetechnik. So können solarthermische oder
fotoelektrische Zellen typischerweise an der Außenseite
oder auf dem Dach eines Gebäudes angebracht werden. Da
diese Flächen stets eine begrenzte Größe
aufweisen, können sie folglich entweder solarthermisch,
also beispielsweise für die Brauchwasserversorgung, oder
zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden.
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Auch
bei der aus der
GB 2
321 338 A zu entnehmenden fotovoltaischen Einrichtung mit
Thermogenerator wird die Temperatur an ihren Fotozellen regelbar
eingestellt. Auch hier ist wie im Fall der aus der genannten US-A-Schrift
zu entnehmenden Einrichtung keine Abgabe von Wärmeenergie
an einen externen Verbraucher vorgesehen. Dies trifft ebenfalls
auch für eine weitere, aus der
US 4 106 952 zu entnehmende fotovoltaischen
Einrichtung mit Thermogenerator zu.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, die solarthermische, thermoelektrische
Einrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten,
dass es möglich ist, die auf eine bestimmte Fläche
einfallende Sonnenenergie besonders effektiv zu nutzen. Ferner soll
ein Verfahren zu einem effektiven Betrieb einer solchen Stromerzeugungseinrichtung
angegeben werden.
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Die
sich auf die Einrichtung beziehende Aufgabe wird mit den in Anspruch
1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Der
erfindungsgemäßen Lösung liegt dabei die Überlegung
zugrunde, einen thermoelektrischen Generator in eine solarthermische
Anlage zu integrieren, so dass die typischerweise zwischen einem Solarabsorber
und einem Arbeitsmedium in einer solchen solarthermischen Anlage
vorhandene Temperaturdifferenz zur Erzeugung elektrischer Energie
genutzt werden kann. Insbesondere kann bei einer Kombination von
photovoltaischer Anlage, solarthermischer Anlage und thermoelektrischem
Generator zwischen der erzeugten Wärme- und Strommenge, je
nach Bedarf und Witterungsbedingungen, ein gewünschtes
Verhältnis eingestellt werden. Dies kann mit Hilfe eines
Durchflussreglers erfolgen, welcher vorzugsweise elektronisch gesteuert
oder geregelt ist. Der Durchflussregler umfasst insbesondere mindestens
eine Pumpe und mindestens ein Ventil, welche mechanisch oder elektrisch
eingestellt werden können.
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Erfindungsgemäß wird
eine solarthermische, thermoelektrische Stromerzeugungseinrichtung
angegeben, welche einen durch Son neneinstrahlung erhitzbaren Absorber
aufweist, der zumindest teilweise innerhalb eines evakuierbaren
Gehäuses angebracht ist. Die solarthermische, thermoelektrische Stromerzeugungseinrichtung
weist weiterhin einen thermoelektrischen Generator zur Erzeugung
eines elektrischen Stroms auf, der jeweils großflächig
an einander gegenüberliegenden Seitenflächen mit
dem Absorber und einem Wärmetauscher, der mit einem Rohrleitungssystem
verbunden ist und von einem Arbeitsmedium durchströmbar
ist, thermisch verbunden ist. Dabei ist mit dem Rohrleitungssystem
zusätzlich ein Verbraucher thermisch verbunden. Weiterhin
weist die solarthermische, thermoelektrische Stromerzeugungseinrichtung
einen Durchflussregler zur Einstellung eines Flusses des Arbeitsmediums durch
den Wärmetauscher auf. Außerdem sollen Mittel
zu einer Steuerung des Durchflussreglers vorhanden sein, um durch
eine Einstellung des Flusses das Verhältnis von durch den
thermoelektrischen Generator erzeugtem elektrischem Strom und in
dem Wärmetauscher an das Arbeitsmedium abgegebener thermischer
Energie (bzw. Wärmemenge) in Abhängigkeit vom
Bedarf an elektrischem Strom und/oder Bedarf an thermischer Energie
an dem Verbraucher zu steuern.
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Unter
einer solarthermischen, thermoelektrischen Stromerzeugungseinrichtung
ist in diesem Zusammenhang eine Einrichtung zu verstehen, welche dazu
geeignet ist, elektrischen Strom durch den thermoelektrischen Effekt
(Seebeck-Effekt) zu erzeugen, und welche weiterhin dazu geeignet
ist, ein Arbeitsmedium solarthermisch zu erwärmen.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäßen solarthermischen,
thermoelektrischen Stromerzeugungseinrichtung sind insbesondere
darin zu sehen, dass mittels der erfindungsgemäßen
Einrichtung eine doppelte Nutzung der von ihr eingenommenen Fläche gegenüber
den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen möglich
ist. Weiterhin kann mit der erfindungsgemäßen
solarthermischen, thermoelektrischen Stromerzeugungseinrichtung
der zwischen einem Arbeitsmedium und einem Solarabsorber vorhandene
Temperaturunterschied zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt
werden. Durch die Einstellung des Flusses in dem Wärmetauscher
kann die Menge des in dem thermoelektrischen Generator erzeugten
elektrischen Stroms, sowie das Temperaturniveau des Arbeitsmediums
eingestellt werden. Durch die Einstellung des Flusses in dem Wärmetauscher
kann weiterhin das Verhältnis von in dem thermoelektrischen
Generator erzeugtem elektrischem Strom und an das Arbeitsmedium übertragener
thermischer Energie eingestellt werden. Die Energiemenge, die nicht
in elektrischen Strom gewandelt wird, ist im Arbeitsmedium in Form
von Wärmeenergie enthalten. Die erfindungsgemäße
Einrichtung ist daher flexibel einsetzbar und kann gemäß der
jeweils vorhandenen Nachfrage an elektrischem Strom und/oder warmem
Arbeitsmedium angepasst werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen solarthermischen,
thermoelektrischen Stromerzeugungseinrichtung gehen aus den von
Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei
kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 insbesondere mit
den Merkmalen eines oder vorzugsweise auch denen mehrerer Unteransprüche
kombiniert werden. Demgemäß kann die solarthermische,
thermoelektrische Stromerzeugungseinrichtung nach der Erfindung
noch zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
- – So kann vorteilhaft der Verbraucher direkt in das Rohrleitungssystem
integriert oder indirekt mit diesem über mindestens einen
weiteren Wärmetauscher verbunden sein.
- – Zweckmäßigerweise umfasst der Durchflussregler
mindestens eine Pumpe.
- – Bei der solarthermischen, thermoelektrischen Stromerzeugungseinrichtung
können die Mittel zur Steuerung des Durchflussreglers elektrischer oder
elektronischer Art sein, wobei diese Mittel zur Steuerung des Durchflussreglers
mindestens einen Temperatursensor und eine signalverarbeitende/-übertragende
Elektronik oder Elektrik umfassen können. Alternativ können
die Mittel zur Steuerung des Durchflussreglers auch mechanischer
Art sein.
Solche Mittel der genannten Alternative sind an sich
bekannt und arbeiten einfach und in zuverlässiger Weise.
- – Das Arbeitsmedium kann eine Flüssigkeit,
vorzugsweise ein Zweiphasengemisch aus einer Flüssigkeit
und einem Gas sein. Typischerweise weist eine Flüssigkeit
eine höhere Wärmekapazität als ein Gas
auf. Je nach dem ob in der solarthermischen, thermoelektrischen
Stromerzeugungseinrichtung eine Flüssigkeit oder ein Gas als
Arbeitsmedium verwendet wird, kann ein mehr oder weniger effektiver
Wärmeübergang in dem Wärmetauscher erreicht
werden. Auf diese Weise kann durch die Wahl des Arbeitsmediums das Verhältnis
von in dem thermoelektrischen Generator erzeugtem elektrischem Strom
und an das Arbeitsmedium übertragener thermischer Energie beeinflusst
werden. Wird ein Zweiphasengemisch aus einem flüssigen
und einem gasförmigen Arbeitsmedium verwendet, so kann
die Übertragung von thermischer Energie an das Arbeitsmedium durch
Ausnutzung der latenten Wärme des Phasenüberganges
verbessert werden.
- – Der Absorber kann zusätzlich Solarzellen
umfassen. Mit Hilfe von Solarzellen, welche vorzugsweise auf der
Oberfläche des Absorbers angebracht sind, kann der Gesamtwirkungsgrad
der solarthermischen und thermoelektrischen Einrichtung verbessert
werden. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass mit Hilfe der
Solarzellen zusätzlicher elektrischer Strom gewonnen werden kann.
Weiterhin kann das Verhältnis von in der solarthermischen
und thermoelektrischen Einrichtung produzierter thermischer und
elektrischer Energie durch diese Maßnahme variiert werden. Eine
Variation erfolgt durch die Anzahl von auf der Oberfläche
des Absorbers angebrachten Solarzellen, bzw. durch den von den Solarzellen
eingenommenen Anteil an der Oberfläche des Absorbers. Eine
Variation erfolgt alternativ insbesondere durch die Einstellungen
am Durchflussregler, d. h. die Mittel zur Steuerung des Durchflussreglers.
- – Die Solarzellen können Dünnschichtsolarzellen sein.
Dünnschichtsolarzellen sind zumindest für einen
Teil des elektromagnetischen Spektrums des Sonnenlichts transparent.
Normalerweise bleibt in solarelektrischen Anlagen derjenige Teil des
solaren Spektrums, welcher nicht von den Solarzellen absorbiert
wird, für die Produktion elektrischer Energie ungenutzt.
Typischerweise erstreckt sich der Absorptionsbereich einer Solarzelle
bis zur Lage der Bandlücke des Siliziums. Der von einer
Solarzelle typischerweise nicht absorbierte Anteil des solaren Spektrums,
welcher im nahen Infrarot und Infrarotbereich liegt, kann jedoch
von einem Absorber wie er in einer solarthermischen, thermoelektrischen
Einrichtung gemäß der vorstehenden Ausführungsform
verwendet wird absorbiert werden. Auf diese Weise kann eine weitere
Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der solarthermischen, thermoelektrischen Stromerzeugungseinrichtung
erreicht werden.
- – Das Arbeitsmedium kann wasserhaltig und/oder wässrig
sein. Weiterhin kann das Arbeitsmedium ein beliebiges Gemisch aus
einem wasserhaltigen und einem wässrigen Medium sein. Durch
die Verwendung eines kostengünstigen wasserhaltigen und/oder
wässrigen Arbeitsmediums kann die solarthermische, thermoelektrische
Stromerzeugungseinrichtung besonders einfach und effektiv betrieben
werden.
- – Die solarthermische, thermoelektrische Stromerzeugungseinrichtung
kann Teil eines Gebäudes sein, wobei das Arbeitsmedium
zumindest teilweise zur Brauchwasserversorgung des Gebäudes verwendet
wird. Die typischerweise zur solarthermischen, solarelektrischen
oder thermoelektrischen Energieerzeugung an einem Gebäude
zur Verfügung stehenden Flächen sind begrenzt.
Die erfindungsgemäße Stromerzeugungseinrichtung kann
daher besonders vorteilhaft als Teil eines Gebäudes eingesetzt
werden, da erfindungsgemäß so wohl thermische als
auch elektrische Energie auf ein und derselben Fläche gewonnen werden
können, und deren Verhältnis abhängig vom
Bedarf an elektrischer und/oder thermischer Energie, eingestellt
werden kann. Ein im Haus integrierter Verbraucher, wie z. B. ein
Heizkörper oder ein Wärmetauscher, kann die erzeugte
Wärmemenge im Haus nutzbar machen, insbesondere zur Beheizung
von Räumen und/oder Warmwassererzeugung.
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Die
sich auf das Betriebsverfahren der erfindungsgemäßen
Stromerzeugungseinrichtung beziehende Aufgabe wird mit den in Anspruch
12 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäß soll
bei dem Verfahren der Durchflussreglers derart gesteuert werden,
dass in Abhängigkeit vom Bedarf an elektrischem Strom und/oder
Bedarf an den Verbraucher abzugebender thermischer Energie der Fluss
des Arbeitsmediums durch den Wärmetauscher bzw. in dem
Rohleitungssystem
- – in einem ersten
Modus zur Erzeugung einer großen Menge an elektrischer
Energie auf einen vergleichsweise hohen Wert
oder
- – in einem zweiten Modus zur Abgabe an thermischer
Energie an den Verbraucher auf einen vergleichsweise niedrigen Wert
oder
- – auf einen Zwischenwert zwischen dem hohen und dem
niedrigen Wert
eingestellt wird.
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Das
Verfahren gewährleistet vorteilhaft eine besonders effektive
Nutzung der in den Absorber eingestrahlten Sonnenenergie.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens zum Betrieb der erfindungsgemäßen
solarthermischen, thermoelektrischen Stromerzeugungseinrichtung
gehen aus den von Anspruch 12 abhängigen Ansprüchen
hervor. Dabei können die Verfahrensmerkmale nach Anspruch
12 insbesondere mit den Merkmalen eines oder vorzugsweise auch denen mehrerer
der davon abhängigen Unter ansprüche kombiniert
werden. Demgemäß kann das Verfahren noch zusätzlich
folgende Merkmale aufweisen:
- • So
kann vorteilhaft das Arbeitsmedium durch das Rohleitungssystem gepumpt
werden, wobei die Pumpleistung in Abhängigkeit von dem
genannten Wert des Flusses eingestellt wird.
- • Außerdem kann die Steuerung des Durchflussreglers
in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur des Verbrauchers
und/oder der eingestrahlten Sonnenenergie erfolgen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
solarthermischen, thermoelektrischen Stromerzeugungseinrichtung
und dessen Betriebsverfahrens gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen
Ansprüchen sowie insbesondere aus der nachfolgend erläuterten
Zeichnung hervor. Die Zeichnung zeigt ein bevorzugtes Ausgestaltungsbeispiel
der erfindungsgemäßen solarthermischen, thermoelektrischen
Stromerzeugungseinrichtung. Die Figur zeigt den Querschnitt durch
eine solarthermische, thermoelektrische Einrichtung. Nicht näher
erläuterte Teile sind allgemeiner Stand der Technik.
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Die
Figur zeigt eine solarthermische, thermoelektrische Stromerzeugungseinrichtung
(100) gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die Stromerzeugungseinrichtung 100 weist ein evakuierbares
Gehäuse mit Seitenwänden 101 und einem
Gehäusedeckel 102 auf. Die Seitenwände 101 des
Gehäuses können insbesondere thermisch isoliert
sein. Der Gehäusedeckel 102 ist für das
elektromagnetische Spektrum des Sonnenlichts transparent und kann insbesondere
aus Fensterglas, vorzugsweise aus Solarglas, bestehen. Unter Solarglas
ist in diesem Fall ein allgemein aus dem Stand der Technik bekanntes
Glas, welches insbesondere hinsichtlich seiner Bruchsicherheit in
Bezug auf Schneelast oder Hagel verbessert ist. So kann eine gegenüber
gewöhnlichem Fensterglas vergleichsweise dünnere Scheibe
als Gehäusedeckel für die solarthermische, thermoelektrische
Stromerzeugungseinrichtung verwendet werden.
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Innerhalb
des Gehäuses befindet sich ein Absorber 103. Bei
diesem Absorber 103 kann es sich um einen so genannten
Vollflächenabsorber, Streifenabsorber oder auch Kissenabsorber
handeln. Der Absorber 103 ist zur Umwandlung (Absorption)
direkter oder diffuser Sonnenstrahlung in Wärme geeignet.
Um die Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme zu begünstigen,
kann die Oberfläche des Absorbers 103 mit einem
Solarlack, einer Schwarzchrom- oder Schwarznickelbeschichtung, welche galvanisch
aufzubringen ist, oder auch mit einer Titannitritoxid-Beschichtung
versehen sein. Die Titannitritoxid-Beschichtung kann mittels eines
Dünnschichtverfahrens, beispielsweise Sputterdeposition aufgebrachten
sein. Der Körper des Absorbers 103 kann typischerweise
aus Kupfer oder Aluminium bestehen.
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Auf
der Oberfläche des Absorbers 103 können
Solarzellen 104 angebracht sein. Bei diesen Solarzellen 104 kann
es sich vorzugsweise um Dünnschichtsolarzellen handeln.
Verwendbar sind handelsübliche Solarzellen, z. B. siliziumbasierte,
einkristalline oder polykristalline Solarzellen. Die Oberfläche
des Absorbers 103 kann zumindest teilweise mit einer oder
mehreren Solarzellen 104 bedeckt sein. Die Oberfläche
des Absorbers 103 kann weiterhin nahezu vollständig
mit Solarzellen 104 bedeckt sein.
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Das
elektromagnetische Spektrum des Sonnenlichtes erstreckt sich vom
UV-Bereich bis in den Infrarot-Bereich. Das Absorptionsspektrum,
beispielsweise einer Siliziumsolarzelle, erstreckt sich jedoch nur
vom nahen UV-Bereich bis in den nahen Infrarot-Bereich, typischerweise
bis zur Bandlücke des Siliziums. Das Absorptionsspektrum
eines Absorbers 103 kann gegenüber dem Absorptionsspektrum
einer Solarzelle 104 breiter sein, das heißt es
erstreckt sich über einen größeren Wellenlängenbereich.
Folglich kann das von einer Solarzelle 104 ungenutzte,
im Infrarot-Bereich liegende Spektrum von einem Ab sorber 103 genutzt
werden. Auf diese Weise kann das von einer Solarzelle 104 ungenutzte
solare Spektrum zur fotothermischen Energieerzeugung genutzt werden.
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Der
Absorber 103 ist mit seiner nicht der Sonnenstrahlung ausgesetzten
Unterseite mit mindestens einem thermoelektrischen Generator 105 verbunden.
Insbesondere kann die überwiegende Fläche des
Absorbers 103 in Kontakt mit einem oder mehreren thermoelektrischen
Generatoren 105 stehen. Es sind verschiedene thermoelektrische
Generatoren 105 in dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel
verwendbar. Typischerweise werden thermoelektrische Generatoren 105 mit
einer maximalen Arbeitstemperatur von in etwa 200°C verwendet.
Ebenso können jedoch hochtemperaturtaugliche thermoelektrische
Generatoren 105 verwendet werden. An den thermoelektrischen
Generatoren 105 kann eine Spannung an einem Abgriff 106 abgegriffen
werden, so dass ein Strom über entsprechende Verbindungsleitungen
einem Verbraucher zugeführt werden kann.
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Auf
ihrer dem Absorber 103 abgewandten Seite sind die thermoelektrischen
Generatoren 105 großflächig mit einem
thermisch gut leitfähigen Bauelement 107 verbunden.
Es kann sich beispielsweise um eine Kupferplatte handeln. Diese
thermisch gut leitfähige Platte 107 kann Teil
eines Wärmetauschers 108 sein. Der Wärmetauscher 108 kann
beispielsweise wie folgt aufgebaut sein. Auf der den thermoelektrischen
Generatoren 105 abgewandten Seite des thermisch gut leitfähigen
Bauelements 107 befinden sich Kanäle bzw. Rohre,
welche in Serpentinen oder mäanderförmig oder
auch in Harfenform mit dem thermisch gut leitfähigen Bauelement
verschweißt sind oder auf dieses aufgelötet sind.
Ein entsprechendes Rohr bzw. Rohrteil ist in der Figur mit 109 bezeichnet.
In dem Rohrsystem kann sich ein wasserhaltiges oder wässriges
Arbeitsmedium befinden, typischerweise mit Propylenglykol angereichertes Wasser.
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Ein
Rohrleitungssystem 110 verbindet den Wärmetauscher 108 mit
weiteren Bauelementen der solarthermischen, thermoelek trischen Stromerzeugungseinrichtung 100.
Das Rohrleitungssystem 110 kann, wie in der Figur dargestellt,
ein geschlossenes System sein. Ebenso kann es sich um ein offenes Rohrleitungssystem 110 handeln.
In dem Rohrleitungssystem 110 befindet sich ein Durchflussregler 111.
Mit Hilfe dieses Durchflussreglers 111 ist es möglich,
die Strömung des Arbeitsmediums durch den Wärmetauscher 108 zu
kontrollieren.
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Im
Folgenden werden zwei wesentliche Arbeitsmodi der solarthermischen,
thermoelektrischen Stromerzeugungseinrichtung beispielhaft erläutert. Mittels
des Durchflussreglers 111 kann über die Steuerung
des Flusses durch den Wärmetauscher 108 selbstverständlich
jeder beliebige Zustand zwischen den beiden im Folgenden beschriebenen
Zuständen realisiert werden.
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Gemäß einem
ersten Arbeitsmodus wird der Fluss des Arbeitsmediums durch den
Wärmetauscher 108 auf einen hohen Wert eingestellt.
Ein hoher Durchfluss des Arbeitsmediums durch den Wärmetauscher 108 hat
zur Folge, dass sich zwischen dem Absorber 103 und dem
Wärmetauscher 108 ein großer Temperaturunterschied
einstellt. Bedingt durch diesen großen Temperaturunterschied
erzeugen die thermoelektrischen Generatoren 105 eine große
Menge elektrischer Energie. Beispielsweise kann die Absorberplatte 103 eine
Temperatur von 220°C erreichen, während das Arbeitsmedium
in dem Wärmetauscher 108 mit einer Temperatur
von 20°C dem Vorlauf des Wärmetauschers 108 zugeführt
wird. Auf diese Weise kann an den thermoelektrischen Generatoren 105 eine
Temperaturdifferenz von nahezu 200°C realisiert werden.
Bedingt durch eine hohe Durchflussgeschwindigkeit des Arbeitsmediums
durch den Wärmetauscher 108 wird das Arbeitsmedium
lediglich gering erwärmt. Im Verhältnis wird also
viel elektrischer Strom und wenig Wärme an das Arbeitsmedium
abgegeben. Folglich wird das Arbeitsmedium lediglich auf ein geringes
Temperaturniveau erwärmt.
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Gemäß einem
zweiten Arbeitsmodus wird der Durchfluss des Arbeitsmediums in dem
Wärmetauscher 108 auf einen niedrigen Wert geregelt.
Auf diese Weise wird ein Maximum an von dem Absorber 103 absorbierter
solarer Energie an das Arbeitsmedium abgegeben, während
lediglich ein geringer Anteil in elektrische Energie umgewandelt
wird. Das Arbeitsmedium erreicht somit ein hohes, gut nutzbares Temperaturniveau.
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Ist
die solarthermische, thermoelektrische Einrichtung 100 Teil
eines Gebäudes, kann der Arbeitsmodus abhängig
von der Jahreszeit gewählt werden. So kann ein Arbeitsmodus,
welcher mehr oder weniger dem ersten Arbeitsmodus entspricht im Sommer
und ein Arbeitsmodus, der in etwa dem zweiten Arbeitsmodus entspricht
im Winter eingestellt werden. Auf diese Weise kann der mit dem Rohrleitungssystem 110 verbundene
Verbraucher 112, beispielsweise ein weiterer sekundärer
Kreislauf oder auch ein direkter Verbraucher, z. B. ein Heizkörper,
je nach Jahreszeit mit der notwendigen Wärme versorgt werden.
Ebenso kann die solartechnische, thermoelektrische Einrichtung 100 an
verschiedene Anforderungen je nach Tageszeit eingestellt werden. Die
an den thermoelektrischen Generatoren 105 anfallende elektrische
Energie steht in einem durch den Durchfluss in dem Wärmetauscher 108 einstellbaren Maß je
nach Arbeitsmodus in größerer oder geringerer
Menge zur Verfügung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - GB 2172394
A [0002, 0007]
- - DE 3704559 A1 [0004, 0004]
- - FR 2412171 [0005]
- - US 2004/0025931 A1 [0008]
- - GB 2321338 A [0010]
- - US 4106952 [0010]