DE102008009979A1

DE102008009979A1 - Thermoelektrischer Solargenerator Verfahren und Vorrichtung zur Generierung elektrischer Energie mit Solarkollektoren auf der Grundlage des thermoelektrischen Seebeck Effektes

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Publication number: DE102008009979A1
Application number: DE102008009979A
Authority: DE
Original assignee: Individual
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Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2009-09-10

Abstract

Es ist bekannt, insbesondere in Ländern mit besonders warmen klimatischen Gegebenheiten, daß solarthermisch Strom erzeugt wird. In großdimensionierten Anlagen wird z. B. mit einem Spiegelfeld konzentriert Solarstrahlung einem Wärmeträger (z. B. Na) zugeführt. Die gewonnene Wärmeenergie wird genutzt, um mit Wasserdampf Turbinen anzutreiben, die einen Generator antreiben. Diese Technologie ist aufwendig, wartungsintensiv, kostspielig und u. a. aufgrund der erforderlichen Abmessungen nicht geeignet, um z. B. auf dem Dach eines Einfamilienhauses wie z. B. Photovoltaikanlagen unterbringen zu können. Immer mehr Neubauten sind ausgestattet mit einem Solarkollektor oder einer Photovoltaikanlage. Aufgrund der geometrischen Üblichkeiten von Einfamilienhäusern sind die zur Verfügung stehenden Dachflächen mit Südorientierung beschränkt. Sehr selten sind daher sowohl ein Solarkollektor wie eine Photovoltaikanlage installiert. Der thermoelektrische Solargenerator gemäß Prinzipschaubild ermöglicht es, mit einem modifizierten Solarkollektor elektrische Energie zu erzeugen. Bis auf einen Lüfter besitzt es keine bewegten Maschinenteile wie bei den bisher bekannten solarthermischen Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie. Der thermoelektrische Solargenerator gemäß Prinzipschaubild ermöglicht es, die bisher übliche Nutzung von Solarkollektoren z. B. zur Warmwasserbereitung, Frischluft-Erwärmung etc. beizubehalten und ermöglicht die neue Nutzung als Solarstromgenerator sowohl ...

Description

Viele Solarkollektoren leiden im Sommer unter einen Überhitzungs-problem bedingt durch den von der Natur gegebenen Überangebot an Wärme aus solarer Einstrahlung.
Die Funktion des Thermoelektrischen Solargenerators beruht auf eine Temperaturdifferenz zwichen den Flächen einer Anordnung von Peltiermodulen, welche aufrechterhalten wird durch Wärmezufuhr aus den solaren Wärmegewinnen des Solarkollektors und durch Kühlung mit Hilfe der Aussenluft. Aufgrund des Seebeck-Effektes (T. J. Seebeck 1822) entsteht eine elektrische Gleichstromspannung die von der Peltiermodulanordnung externen Verbrauchern zur Verfügung gestellt wird.
Die Peltiermodule sind bevorzugt thermisch parallel und elektrisch seriell angeordnet.
Gemäß Prinzipschaubild ist zur Erhöhung des Wirkungsgrades eine Fluidzirkulation zwichen Peltiermodule und den Kollektor vorgesehen.
Im Falle von Luft als fluid, kann diese z. B. mit einen elektrischen Lüfter angetrieben werden welches von einer am Kollektor angebrachten kleindimensionierten Fotovoltaikzelle mit elektrischer Energie versorgt wird. Nach Anregung dieser Zirkulation kann die Peltiermodulanordnung selbst den Lüfter mit Strom versorgen.
Grundsätzlich wird die Nachrüstung vorhandener Solarkollektoren um auch als thermoelektrischer Generator arbeiten zu können empfohlen.
Der bekannten Problematik der sommerlichen Überhitzung von Solarkollektoren wird mit den Generatorbetrieb entgegengewirkt. Üblicherweise werden Solarkollektoren bei Überhitzungsgefahr entleert bzw. das Fluid (normalerweise Wasser) ausgelassen und damit ausserbetrieb genommen. Der thermoelektrische Generatorbetrieb ist besonders dazu geeignet in Zeiten der Überhitzung den Solarkollektor zur Gewinnung elektrischer Energie zu nutzen.
Im Falle von evakuierten Kollektortypen wie z. B. Vakuumrohrkollektoren ist auch eine Kollektorexterne Vorrichtung die Wärmeaustausch zwichen den Kollektorfluid und der Aussenluft leistet mit zwichengeschalteten Peltierelementen gleichwertig.
Der ~20% Wirkungsgrad der modernen Fotovoltaik (abnehmend bei hohen Temperaturen) steht aber gegenüber ein Wirkungsgrad moderner Absorber von Solarkollektoren von bis zu 95% abzüglich der ungewollten Transmissionswärmeverluste sowie der ungewollten Reflexion solarer Einstrahlung. Der heutige Wirkungsgrad von Bi₂Te₃ Peitierelemente, welche im Temperaturspektrum des thermoelektrischen Solargenerators nach heutigem Stand der Peltiermodulentwicklung besonders geeignet sind, von ~5% bezüglich Seebeck Effekt (unter günstigen Umständen bis zu 8%) stellt zusammen mit den hohen Wirkungsgrad moderner Absorber einen ähnlich effizienten Generator wie die Photovoltaik dar.
Die Figur enthält ein Prinzipschaubild am Bsp. eines modifizierten Flachkollektors.
Text aus der Figur (oberer Teil):

Solarkollektor
Absorber
Wärmedämmung
elektrischer Lüfter
Fluidzirkulation bevorzugt Luft
*1)
Kühlung durch aufsteigende Aussenluft getrieben z. B. aufgrund der Kammwirkung Dach
Wirkungsgrad erhöht sich wenn Aussenluftfließgeschwindigkeit elektrisch unterstützt bzw. erhöht wird oder hochwertige Wärmetauscher wie Kupferwärmetauscher
A
A
U U = f(T1 – T2)

Text aus der Figur (unterer Teil):

Schnitt A – A
Solarkollektor
Absorber
Innenraumfluid bevorzugt Luft.
Fluidzirkulation zwichen unterseitig befestigte Profile und Kollektorinnenraum
*2)
T1
T2
Anordnung von Peltiermodule

Zum Zeichen *1) der Figur (im oberen Teil):
Thermoelektrisches Element oder Anordnung Thermoelektrischer Elemente, welche auf der Grundlage des thermoelektrischen Effektes Seebeck (T. J. Seebeck, 1822) elektrischen Strom generieren können. z. B. sogenannte Peltiermodule. (J. C. A. Peltier 1834). Der Solarkollektor wird z. B. mit einen Doppelboden ausgeführt oder unterseitig z. B. Stahl oder Aluminiumprofile befestigt. Am unteren Boden oder in den Profilen ist eine Anordnung von Peltiermodulen angebracht.
Im Falle unterseitig befestigter Profile, sind diese z. B. mit angeschweißten Stimplatten versehen um einen geschlossenen Innenraum mit den Kollektorinneren zu bilden. Um die Fluidzirkulation zu ermöglichen sind je Profil 2 Durchbrüche im Koliektorboden sowie der Dämmschicht enthalten.
Die im Kollektor enthaltene Luft zirkuliert getrieben von z. B. einen Gleichstromlüfter welches z. B. mit elektrischer Energie aus einer Fotovoltaik Solarzelle versorgt wird. Die Peltiermodule werden bevorzugt thermisch parallel und elektrisch seriell angeordnet. Bevorzugt werden Bi₂ Te₃ Peltiermodule verwendet.
Der Wirkungsgrad erhöht sich wenn die Peltierelemente oberseitig eine mit Kühlrippen ausgestattete z. B. Aluminiumplatte und übliche Wärmeleitpaste die gleichzeitig auch der Befestigung dient erhalten.
Zum Zeichen *2) der Figur (im unteren Teil):
Um Kosten zu sparen bzw. die Anzahl Peltierelemente niedrig zu halten, wird hier kein durchgehender Doppelboden ausgeführt sondern mit einzellnen unterseitig am Kollektorgehäuse z. B. verschraubten und für den Wärmetausch mit den zirkulierenden Fluid geeigneten Profile bevorzugt gearbeitet. Der Wirkungsgrad erhöht sich wenn die Profile aussenseitig mit Kühlrippen ausgestattet sind. Zur Verbesserung des thermischen Kontaktes wird eine Wärmeleitpaste zwichen Profil und Peltierelemente empfohlen.

Claims

Thermoelektrischer Solargenerator. Verfahren und Vorrichtung zur Generierung elektrischer Energie auf der Grundlage des thermoelektrischen Seebeck Effektes (T. J. Seebeck 1822). Es sind Thermoelektrische Generatoren bekannt welche auf der Grundlage des physikalischen Seebeck-Effektes welches in Peltiermodulen eine elektrische Spannung erzeugt sofern die dazu vorgesehenen Oberflächen der Module einer Temperaturdifferenz ausgesetzt werden bzw. diese aufrechterhalten wird. Dies erfolgt bei Generatoren mithilfe einer Wärme und einer Kältequelle die durch Hinzuschaltung oder Abschaltung den Generatorbetrieb bewirken oder abstellen. Der Thermoelektrische Generatorbetrieb erfolgt ausschließlich durch Zuführung von Wärmeenergie und Kühlung also rein thermisch. Der thermoelektrische Solargenerator ist neu. Es sind keine Thermoelektrische Generatoren auf der Grundlage eines modifizierten Solarkollektors und von Thermoelektrischen Elementen welche auf den Seebeckeffekt beruhend elektrischen Strom generieren bekannt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 auch dadurch gekennzeichnet, daß Sie geeignet ist zum Nachrüsten von bestehenden Solarkollektoren um als Thermoelektrischen Solargenerator elektrische Energie erzeugen zu können. Das Prinzipschaubild zeigt ein Flachkollektor welches modifiziert wurde um eine Fluidzirkulation mit der unterseitig befestigten Vorrichtung zu ermöglichen. Die im Prinzipschaubild gezeigten Öffnungen bzw. Durchbrüche die die Zirkulation ermöglichen, stehen stellvertretend auch für eine andere Anzahl Öffnungen und insbesondere stellvertretend für seitliche Durchbrüche die am Koflektorrahmen nachträglich hergestellt werden um einen bestehenden Solarkollektor nach zu rüsten ohne es auseinander bauen zu müssen.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 auch dadurch gekennzeichnet, daß Sie das häufig vorkommende Problem der sommerlichen Überhitzung von Solarkollektoren löst. Die Vorrichtung löst das Problem durch Wärmetausch mit der Außenluft. Der thermoelektrische Solargenerator kann dabei elektrische Energie generieren.