Die Erfindung betrifft einen Stromerzeuger, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a power generator, according to the preamble of claim 1.
Heutige Stromerzeuger bestehen meist aus einer Verbrennungskraftmaschine, die mit einem Generator gekoppelt ist. Dabei wird in aller Regel weniger als 50 % der eingesetzten Primärenergie dem Generator als mechanische Energie zur Verfügung gestellt. Der Rest wird häufig als Wärmeenergie ungenutzt in die Umgebung abgegeben.Today's power generators usually consist of an internal combustion engine, which is coupled to a generator. As a rule, less than 50% of the primary energy used is provided to the generator as mechanical energy. The rest is often released as heat energy unused in the environment.
Das Ziel ist es somit einen Stromerzeuger mit möglichst hohem Gesamtwirkungsgrad zu erfinden, welcher als Stromerzeuger in Kraftfahrzeugen, Booten, Flugzeugen, Haushalts- und Gartengeräten eingesetzt wird, als Hausstromversorgung dient oder als mobiler Stromerzeuger eingesetzt werden kann. Thermophotovoltaische Generatoren sind aus US 2005/0109386 A1 , US 2003/0230336 A1 , US 2013/0074906 A1 , US 6 235 983 B1 , US 2003/0 230 336 A1 , US 5 503 685 A und US 5 356 487 A bekannt. Jedoch wird in diesen Druckschriften vorgeschlagen, die Photovoltaikzellen im Vakuum oder im Abgasstrom anzuordnen, was thermische Probleme für die PV-Zellen zur Folge haben könnte oder es wird vorgeschlagen, die Photovoltaikzellen mit Umgebungsluft zu kühlen, wobei dann die Abwärme der PV-Zellen ungenutzt mit dieser Luft in die Atmosphäre gefördert wird. Ferner ist bei heute üblichen Thermophotovoltaik-Zellen (TPV-Zellen), welche in Generatoren Einsatz finden, rückseitig ein Reflektor angebracht, welcher die von der PV-Zelle nicht aufgenommene Strahlung zurück in Richtung Brennkammer reflektieren soll, wo sie recycelt wird. Diese Rückseitenreflektoren haben aber nur einen begrenzten Wirkungsgrad.The aim is thus to invent a power generator with the highest possible overall efficiency, which is used as power generators in motor vehicles, boats, aircraft, household and gardening equipment, serves as a home power supply or can be used as a mobile power generator. Thermo-photovoltaic generators are off US 2005/0109386 A1 . US 2003/0230336 A1 . US 2013/0074906 A1 . US Pat. No. 6,235,983 B1 . US 2003/0230336 A1 . US 5 503 685 A and US 5,356,487 known. However, it is proposed in these documents to arrange the photovoltaic cells in vacuum or in the exhaust stream, which could result in thermal problems for the PV cells or it is proposed to cool the photovoltaic cells with ambient air, in which case the waste heat of the PV cells with unused this air is pumped into the atmosphere. Furthermore, in today's conventional thermophotovoltaic cells (TPV cells), which are used in generators, a reflector mounted on the back, which should reflect the unrecorded by the PV cell radiation back towards the combustion chamber, where it is recycled. These rear reflectors have only a limited efficiency.
Aus DE 10 2016 006 309 B3 ist eine Patentschrift bekannt, bei der ohne Rückseitenreflektoren gearbeitet wird.Out DE 10 2016 006 309 B3 is a patent known in which works without back reflectors.
Das Ziel ist es, möglichst wenig Abwärme zu produzieren, Rückseitenreflektoren zu vermeiden und Strahlungsenergie, die in den Photovoltaikzellen nicht verarbeitet werden kann zum Emitter zurückzustrahlen und dort zu recyceln. Diese Aufgabe wird durch einen Stromerzeuger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The goal is to produce as little waste heat as possible, to avoid back reflectors and to radiate radiation energy that can not be processed in the photovoltaic cells back to the emitter and recycle it there. This object is achieved by a power generator with the features of claim 1.
Es wird hier ein Stromerzeuger vorgeschlagen, der aus Photovoltaikzellen 1 und mindestens einer Brennkammer 2 besteht. Die von der Brennkammer 2 emittierte elektromagnetische Strahlung wird von den Photovoltaikzellen 1 aufgenommen und in elektrischen Strom umgewandelt. Es können einzelne Photovoltaikzellen 1 zu Photovoltaik-Modulen zusammengefasst werden. Wenn im Folgenden von Photovoltaikzelle 1 die Rede ist, gilt diese Aussage immer auch für mehrere zu einem Photovoltaik-Modul zusammengeschlossene Photovoltaikzellen 1. Bei einer Ausführungsform umgibt oder umschließt die Brennkammer 2 die Photovoltaikzellen 1 (1 und 2 zeigen jeweils einen Schnitt durch einen Stromerzeuger mit einer äußeren Brennkammer). Bei einer weiteren Ausführungsform umschließen die Photovoltaikzellen 1 die Brennkammer 2 (3 und 4 zeigen einen Schnitt durch einen Stromerzeuger mit innenliegender Brennkammer). Ein Brenner liefert heiße Brenngase, welche die Brennkammer 2 durchströmen und sie aufheizen. Der Brenner ist nicht Gegenstand dieser Anmeldung.It is proposed here a generator that consists of photovoltaic cells 1 and at least one combustion chamber 2 consists. The of the combustion chamber 2 emitted electromagnetic radiation is from the photovoltaic cells 1 taken up and converted into electricity. It can be individual photovoltaic cells 1 to photovoltaic modules are summarized. If following from photovoltaic cell 1 it is true that this statement always applies to several photovoltaic cells that have joined together to form one photovoltaic module 1 , In one embodiment, the combustion chamber surrounds or encloses 2 the photovoltaic cells 1 ( 1 and 2 each show a section through a power generator with an outer combustion chamber). In another embodiment, the photovoltaic cells enclose 1 the combustion chamber 2 ( 3 and 4 show a section through a generator with internal combustion chamber). A burner delivers hot fuel gases, which are the combustion chamber 2 flow through it and heat it up. The burner is not the subject of this application.
Die Restwärme der aus der Brennkammer 2 austretenden Brenngase wird über einen Wärmetauscher an das Frischgas/die Ansaugluft des Brenners abgegeben. Dieses kann außerhalb des Brenners geschehen oder es wird mit einem Rekuperator-Brenner gearbeitet. Der Brenner wird mit einer Abgasrückführung ausgestattet.The residual heat from the combustion chamber 2 exiting fuel gases is discharged via a heat exchanger to the fresh gas / the intake air of the burner. This can be done outside the burner or it is worked with a recuperator burner. The burner is equipped with exhaust gas recirculation.
Die Brennkammer 2 kann auch der Abgastrakt eines Verbrennungsmotors sein. Sie kann auch der Brennraum oder das Abgasrohr eines Kaminofens oder einer mit Brennstoffen betriebenen Heizung sein.The combustion chamber 2 can also be the exhaust system of an internal combustion engine. It may also be the combustion chamber or the exhaust pipe of a wood-burning stove or a fuel-fired heater.
Bei einer Ausführungsform ist auf der Rückseite der Photovoltaikzelle 1 ein Lumineszenzkonzentrator 3 angeordnet (5), der einen Teil der Strahlungsenergie, die durch die Rückseite der Photovoltaikzelle 1 austritt, konzentriert und zur Brennkammer 2 oder zu dem zwischen Brennkammer 2 und Photovoltaikzelle 1 angeordneten Emitter 4 (5) zurückleitet. Mit Rückseite der Photovoltaikzelle 1 ist, auch im Folgenden, die Seite der Zelle gemeint, welche von der Brennkammer 2 oder vom Emitter 4 abgewandt ist, in die Vorderseite der Zelle strahlt die von Brennkammer 2/vom Emitter 4 emittierte Strahlung ein. Wenn kein Emitter 4 vorhanden ist, fungiert die Brennkammer 2 als Emitter. 5 und 6 zeigen einen Schnitt durch einen Stromerzeuger mit einem Lumineszenzkonzentrator 3. Die Strahlung wird im Lumineszenzkonzentrator 3 konzentriert, weil die Strahlungseintrittsfläche (Eintrittsapertur) größer ist als die Strahlungsaustrittsfläche.In one embodiment is on the back of the photovoltaic cell 1 a luminescence concentrator 3 arranged ( 5 ), which absorbs a portion of the radiant energy passing through the back of the photovoltaic cell 1 exit, concentrated and to the combustion chamber 2 or to the between combustion chamber 2 and photovoltaic cell 1 arranged emitter 4 ( 5 ). With back of the photovoltaic cell 1 is, in the following, the side of the cell meant by the combustion chamber 2 or from the emitter 4 is facing away, in the front of the cell radiates from the combustion chamber 2 / from the emitter 4 emitted radiation. If not an emitter 4 is present, the combustion chamber acts 2 as an emitter. 5 and 6 show a section through a power generator with a Lumineszenzkonzentrator 3 , The radiation is in the luminescence concentrator 3 concentrated, because the radiation entrance surface (entrance aperture) is greater than the radiation exit surface.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Photovoltaikzellen 1 entweder als parabolische Zylinder 5 angeordnet (2, 4, 6, 22) oder als V-förmig zueinander ausgerichtete Flächen 6 (1, 3, 5, 21). Der Öffnungswinkel α der V-förmig zueinander ausgerichteten Flächen 6 (der Photovoltaikzellen 1) ist größer Null aber kleiner 180 Grad (17). Zwei Photovoltaikzellen 1, Photovoltaikzelle 1a und Photovoltaikzelle 1b, sind in 15 in einem Schnitt dargestellt. Jeweils mehrere parabolische Zylinder 5 oder mehrere V-förmig zueinander ausgerichtete Flächen 6 sind kreisförmig (1, 2, 3, 4) oder auf einer Fläche (7a und 7b) aneinander gereiht. Im Falle der flächigen Anordnung ist die Fläche entweder eben (wie in 7a und 7b dargestellt) oder sie ist gekrümmt. Dabei sind entweder die kreisförmig angeordneten Photovoltaikzellen 1 von der Brennkammer 2 und dem Emitter 4 umgeben oder werden im Wesentlichen von der Brennkammer 2 und dem Emitter 4 umfasst (1, 2. 5, 6) oder die kreisförmig angeordneten Photovoltaikzellen 1 sind um die Brennkammer 2 und den Emitter 4 herum angeordnet (3 und 4). Durch die V-förmig zueinander ausgerichteten Flächen 6, die kreisförmig aneinander gereiht sind, wird ein Raum gebildet, der im Wesentlichen eine sternförmige Querschnittsfläche aufweist. Die Photovoltaikzellen 1 folgen somit im Wesentlichen der äußeren Kontur eines Sternpolygons (1, 3, 5, 21).In another embodiment, the photovoltaic cells 1 either as a parabolic cylinder 5 arranged ( 2 . 4 . 6 . 22 ) or as V-shaped aligned surfaces 6 ( 1 . 3 . 5 . 21 ). The opening angle α the V-shaped aligned surfaces 6 (the photovoltaic cells 1 ) is greater than zero but less than 180 degrees ( 17 ). Two photovoltaic cells 1 , Photovoltaic cell 1a and photovoltaic cell 1b , are in 15 shown in a section. In each case several parabolic cylinders 5 or a plurality of V-shaped aligned surfaces 6 are circular ( 1 . 2 . 3 . 4 ) or on a surface ( 7a and 7b) strung together. In the case of the flat arrangement, the surface is either flat (as in 7a and 7b shown) or it is curved. Here are either the circularly arranged photovoltaic cells 1 from the combustion chamber 2 and the emitter 4 surrounded or essentially by the combustion chamber 2 and the emitter 4 includes ( 1 . 2 , 5 . 6 ) or the circularly arranged photovoltaic cells 1 are around the combustion chamber 2 and the emitter 4 arranged around ( 3 and 4 ). By the V-shaped aligned surfaces 6 , which are lined up in a circle, a space is formed, which has a substantially star-shaped cross-sectional area. The photovoltaic cells 1 thus essentially follow the outer contour of a star polygon ( 1 . 3 . 5 . 21 ).
Die parabolischen Zylinder 5 sind im Kreis aneinander gereihte Tröge mit parabelförmigem Querschnitt, wobei die Kontur nicht unbedingt dem exakten Verlauf einer Parabel folgen muss, sondern diesem Verlauf angenähert ist (2 4, 6, 22). Mit der sternförmigen Querschnittsfläche, beziehungsweise dem parabelförmigen Querschnitt der Photovoltaikzellen 1, ist hier nicht die Oberflächenstruktur der Photovoltaikzellen 1 gemeint (nicht die Antireflexionsschichten oder ähnliches), sondern die Anordnung der Photovoltaikzellen im Raum.The parabolic cylinders 5 are troughs arranged in a circle with a parabolic cross-section, whereby the contour does not necessarily have to follow the exact course of a parabola, but is approximated to this course ( 2 4 . 6 . 22 ). With the star-shaped cross-sectional area, or the parabolic cross section of the photovoltaic cells 1 , here is not the surface structure of the photovoltaic cells 1 meant (not the antireflection layers or the like), but the arrangement of photovoltaic cells in space.
Eine Ausführungsform mit flächiger Anordnung der parabolischen Zylinder 5 ist in 7a dargestellt.An embodiment with planar arrangement of the parabolic cylinder 5 is in 7a shown.
Eine Ausführungsform mit flächiger Anordnung der V-förmig zueinander ausgerichteten Flächen 6 ist in 7b dargestellt. Die Fläche ist in 7a und 7b eben dargestellt, die Fläche kann aber auch gekrümmt sein.An embodiment with a planar arrangement of the V-shaped aligned surfaces 6 is in 7b shown. The area is in 7a and 7b just shown, but the surface can also be curved.
Die V-förmig zueinander ausgerichteten Flächen 6 resultieren daraus, dass zwei Photovoltaikzellen 1 unten (bei der Spitze des V) einen Abstand S zueinander aufweisen und oben einen Abstand W, wobei Abstand S kleiner ist als Abstand W (16). Die Photovoltaikzellen 1 berühren sich unten (15) oder weisen einen geringen Abstand zueinander auf (16). Geringer Abstand bedeutet hier, dass der Abstand S kleiner ist als Abstand W und dass Abstand S kleiner ist als die Schenkellänge L der Photovoltaikzelle 1. In 21 ist ein Schnitt als 3-D-Zeichnung eines Stromerzeugers mit V-förmig zueinander ausgerichteten Flächen 6 und in 22 als 3-D-Zeichnung eines Stromerzeugers mit als parabolischen Zylindern 5 angeordneten Photovoltaikzellen 1 dargestellt.The V-shaped aligned surfaces 6 result from having two photovoltaic cells 1 below (at the top of the V ) a distance S have each other and above a distance W , where distance S less than distance W ( 16 ). The photovoltaic cells 1 touch down ( 15 ) or have a small distance from each other ( 16 ). Small distance here means that the distance S is smaller than the distance W and that distance S is smaller than the leg length L of the photovoltaic cell 1 , In 21 is a section as a 3-D drawing of a generator with V-shaped aligned surfaces 6 and in 22 as a 3-D drawing of a generator with as parabolic cylinders 5 arranged photovoltaic cells 1 shown.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die V-förmig zueinander ausgerichteten Flächen 6 in dem Bereich, in dem sie einander berühren oder nur einen geringen Abstand zueinander aufweisen, in diesem Bereich gekrümmt sind und die Flächen dadurch in einem weniger spitzen oder einem stumpferen Winkel aufeinander zulaufen, somit der Winkel/die Spitze des V durch Krümmungen in den Flächen ersetzt wird (18) oder dass die V-förmig zueinander ausgerichteten Flächen 6 zu einer Fläche verschmelzen, wobei diese Fläche anstatt des Winkels einen Radius oder eine Krümmung aufweist (19).An embodiment provides that the V-shaped aligned surfaces 6 in the region in which they touch each other or are only slightly spaced apart, are curved in this region and the surfaces converge towards each other at a less acute or obtuse angle, thus the angle / peak of the V due to curvatures in the surfaces is replaced ( 18 ) or that the V-shaped aligned surfaces 6 merge into a surface, this surface having a radius or a curvature instead of the angle ( 19 ).
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die V-förmig zueinander ausgerichteten Flächen 6 nicht nur in dem Bereich in dem sie einander berühren oder nur einen geringen Abstand zueinander aufweisen, gekrümmt, sondern auch in weiten Bereichen der restlichen Fläche/der restlichen Photovoltaikzelle 1. Im Falle der Krümmung ist die Fläche konvex (20a) oder konkav gewölbt (20b) oder die Fläche besteht aus konvexen und konkaven Abschnitten (20c bis 20f). Bei der Umwandlung der Strahlung in elektrischem Strom kommt es in den Photovoltaikzellen 1 zu Verlusten, denn eine gute Photovoltaikzelle 1 emittiert durch ihre Eintrittsfläche auch immer einen erheblichen Anteil der Strahlung, die eigentlich im richtigen Wellenlängenbereich läge, um von ihr verarbeitet zu werden. Durch die Flächen der parabolischen Zylinder 5 oder die V-förmig zueinander ausgerichteten Flächen 6 wird ein Großteil dieser durch die Photovoltaikzellen 1 emittierten Strahlung auf gegenüberliegende oder benachbarte Zellen abgestrahlt und dort aufgenommen. Auch Strahlung, die an der Oberseite der ersten Photovoltaikzelle 1 reflektiert wurde, wird zum Teil auf die gegenüberliegende oder benachbarte Photovoltaikzelle gestrahlt und nicht zurück zum Emitter/ zur Brennkammer.In another embodiment, the V-shaped surfaces are aligned 6 curved not only in the area in which they touch each other or only a small distance from each other, but also in wide areas of the remaining area / the remaining photovoltaic cell 1 , In the case of curvature, the surface is convex ( 20a) or concave ( 20b) or the surface consists of convex and concave sections ( 20c to 20f) , The conversion of radiation into electrical current occurs in the photovoltaic cells 1 to losses, because a good photovoltaic cell 1 Due to its entrance surface, it also always emits a considerable amount of radiation, which would actually be in the correct wavelength range in order to be processed by it. Through the surfaces of the parabolic cylinder 5 or the V-shaped surfaces 6 Much of this is due to the photovoltaic cells 1 emitted radiation emitted to opposite or adjacent cells and recorded there. Also, radiation at the top of the first photovoltaic cell 1 is reflected in part on the opposite or adjacent photovoltaic cell and not back to the emitter / combustion chamber.
Bei einer Ausführungsform wird auf der Rückseite der in Form eines parabolischen Zylinders oder der V-förmig zueinander ausgerichteten Photovoltaikzellen 1 ein Lumineszenzkonzentrator 3 angeordnet, welcher einen Teil der Strahlungsenergie, die durch die Rückseite der Photovoltaikzelle 1 austritt, konzentriert und zur Brennkammer 2 oder zu einem zwischen Brennkammer 2 und Photovoltaikzelle 1 angeordneten Emitter 4 zurückleitet. Der Emitter 4 kann auch entfallen, wenn die Oberfläche der Brennkammer 2 als Emitter fungiert.In one embodiment, on the rear side, the photovoltaic cells are in the form of a parabolic cylinder or the V-shaped aligned with each other 1 a luminescence concentrator 3 arranged, which transmits part of the radiant energy passing through the back of the photovoltaic cell 1 exit, concentrated and to the combustion chamber 2 or to a between combustion chamber 2 and photovoltaic cell 1 arranged emitter 4 feeds back. The emitter 4 can also be omitted if the surface of the combustion chamber 2 acts as an emitter.
Der Lumineszenzkonzentrator 3 wird entweder parallel zur Photovoltaikzelle 1 und ohne Abstand auf der Unterseite der Photovoltaikzelle 1 angeordnet oder parallel zu ihr, mit einem geringen Abstand oder er weist unterschiedliche Abstände auf und verläuft nicht parallel zur Photovoltaikzelle 1.The luminescence concentrator 3 will be either parallel to the photovoltaic cell 1 and without spacing on the bottom of the photovoltaic cell 1 arranged or parallel to it, with a small distance or he has different distances and does not run parallel to the photovoltaic cell 1 ,
Der Lumineszenzkonzentrator 3 besteht aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: Transparente Polymere, Borosilikatglas, Glas, Glaskeramik, Transparent-Keramik, Quarzglas, CVD-Zinksulfid, Multispectral grade Zinksulfid, Chalkogenid Glas, Sub-µm-Sinterkorund, Nanokeramik, AMTIR, Saphir, CaF2, BaF2, MgF2, Kbr, ZnSe, ZnS, Ge, GaAs, Ga2O3, Sc2O3, La2O3, Gd2O3, Lu2O3, Y3Al5O12, Gd3Al5O12, Lu3Al5O12, YVO4, GdVO4, LuVO4, CaSiO4, SrSiO4, BaSiO4, SiO2, Csl, CsCI, CsBr, KI, KCI, Kbr, AgCI, AgBr, As2S3, MgF2, MnF2, CdF2, CaF2, PbF2, CdS, CdTe, SrF2, TiO2, MgO, NaF, NaBr, NaCI, NaI, TICl, TIBr, Se, Si, LiF, LaF3, KRS-5, KRS-6, ZnTe, InAs, LiNbO3,Y2O3, GaInP, GaINAs, GaSb, InGaAs, InPAsSb, InGaAsSb, PbSe oder aus einem anderen für Infrarotstrahlung im Wesentlichen durchlässigen Material.The luminescence concentrator 3 consists of one or more of the following materials: transparent polymers, borosilicate glass, glass, glass-ceramic, transparent ceramic, quartz glass, CVD Zinc sulfide, multispectral grade zinc sulfide, chalcogenide glass, sub-μm sintered corundum, nanoceramics, AMTIR, sapphire, CaF 2 , BaF 2 , MgF 2 , Kbr, ZnSe, ZnS, Ge, GaAs, Ga 2 O 3 , Sc 2 O 3 , La 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Lu 2 O 3 , Y 3 Al 5 O 12 , Gd 3 Al 5 O 12 , Lu 3 Al 5 O 12 , YVO 4 , GdVO 4 , LuVO 4 , CaSiO 4 , SrSiO 4 , BaSiO 4 , SiO 2 , CsI, CsCl, CsBr, KI, KCl, Kbr, AgCl, AgBr, As 2 S 3 , MgF 2 , MnF 2 , CdF 2 , CaF 2 , PbF 2 , CdS, CdTe, SrF 2 , TiO 2 , MgO, NaF, NaBr, NaCl, NaI, TICl, TIBr, Se, Si, LiF, LaF 3 , KRS- 5 , KRS 6 , ZnTe, InAs, LiNbO 3, Y 2 O 3, GaInP, GaInAs, GaSb, InGaAs, InPAsSb, InGaAsSb, PbSe or from another infrared radiation substantially transparent material.
In das für Infrarotstrahlung im Wesentlichen durchlässige Material des Lumineszenzkonzentrators 3 sind lumineszierende Materialien wie Seltene-Erden-Ionen, Quantenpunkte, Core Shell Quantenpunkte, Multi Shell Quantenpunkte, FRET, Farbstoffe, chemische Absorber und Emitter, ein-, zwei- oder dreidimensionale photonische Strukturen/Kristalle, Nanotubes, metallische Nanopartikel eingebettet oder sie sind als Schicht auf die Oberfläche des Lumineszenzkonzentrators 3 aufgebracht. Dabei sind mehrere verschiedene lumineszierende Materialien eingebettet/aufgebracht, die unterschiedliche Absorptionsspektren aufweisen. Die Absorbermaterialien nehmen die Strahlung auf und emittieren sie in einer anderen Wellenlänge.In the material substantially transparent to infrared radiation of the luminescence concentrator 3 are luminescent materials such as rare earth ions, quantum dots, core shell quantum dots, multi-shell quantum dots, FRET, dyes, chemical absorbers and emitters, one-, two- or three-dimensional photonic structures / crystals, nanotubes, metallic nanoparticles embedded or they are as Layer on the surface of the luminescence concentrator 3 applied. In this case, several different luminescent materials are embedded / applied, which have different absorption spectra. The absorber materials absorb the radiation and emit it at a different wavelength.
Aus dem Lumineszenzkonzentrator 3 tritt Strahlung an den Seitenrändern über seine Seitenflächen aus und gelangt so zum Emitter 4 oder zur Brennkammer 2 (9 und 10). Alternativ tritt Strahlung aus dem Lumineszenzkonzentrator 3 nicht über die Seitenflächen, sondern durch kleine Areale auf der Eintrittsapertur des Lumineszenzkonzentrators 3 aus und gelangt durch Öffnungen oder Aussparungen 10 in der Photovoltaikzelle 1 auf den Emitter 4/auf die Brennkammer 2 (8a und 11). Die Öffnungen oder Aussparungen 10 werden in einer weiteren Variante ersetzt durch undotierte oder schwach dotierte Bereiche 11 in der Photovoltaikzelle 1 (8b und 12). Wenn die Oberfläche der Photovoltaikzelle 1 an diesen Stellen entspiegelt ist, gelangt die Strahlung relativ ungehindert durch das für Infrarotstrahlung im Wesentlichen transparente Material der Photovoltaikzelle 1 vom Lumineszenzkonzentrator 3 zum Emitter 4 oder zur Brennkammer 2 und wird dort recycelt.From the luminescence concentrator 3 Radiation occurs at the side edges over its side surfaces and thus passes to the emitter 4 or to the combustion chamber 2 ( 9 and 10 ). Alternatively, radiation is emitted from the luminescence concentrator 3 not over the side surfaces, but through small areas on the entrance aperture of the luminescence concentrator 3 out and passes through openings or recesses 10 in the photovoltaic cell 1 on the emitter 4 / on the combustion chamber 2 ( 8a and 11 ). The openings or recesses 10 are replaced in a further variant by undoped or weakly doped regions 11 in the photovoltaic cell 1 ( 8b and 12 ). If the surface of the photovoltaic cell 1 is antireflective at these points, the radiation passes relatively unhindered by the infrared radiation substantially transparent material of the photovoltaic cell 1 from the luminescence concentrator 3 to the emitter 4 or to the combustion chamber 2 and is recycled there.
Die Auskopplungsstellen 12 im Lumineszenzkonzentrator 3 können kreisförmig sein, dreieckig, quadratisch, rechteckig oder eine beliebige Geometrie aufweisen (13). Die Auskopplungsstellen 12 werden im Lumineszenzkonzentrator 3 realisiert, indem Störstellen im Material erzeugt werden, beispielsweise Hohlräume unter der Oberfläche oder Löcher an der Oberfläche oder durch photonische Kristalle. Die Totalreflexion ist an diesen Stellen stark vermindert und der Strahl bricht aus. Die Gesamtfläche der Auskopplungsstellen 12 ist wesentlich kleiner als die Fläche der Eintrittsapertur des Lumineszenzkonzentrators 3, das ist auch notwendig, denn durch die Auskopplungsstellen 12 gelangt auch Strahlung von der Brennkammer 2 / dem Emitter 4 in den Lumineszenzkonzentrator 3.The extraction points 12 in the luminescence concentrator 3 may be circular, triangular, square, rectangular or any geometry ( 13 ). The extraction points 12 be in the luminescence concentrator 3 realized by impurities are generated in the material, for example, cavities below the surface or holes on the surface or by photonic crystals. The total reflection is greatly reduced at these points and the beam breaks out. The total area of the extraction points 12 is much smaller than the area of the entrance aperture of the luminescence concentrator 3 That is also necessary because of the extraction points 12 also gets radiation from the combustion chamber 2 / the emitter 4 in the luminescence concentrator 3 ,
Der Emitter 4 kann entfallen, wenn die Strahlung von der Oberfläche der Brennkammer 2 ausgeht und auf die Photovoltaikzellen 1 einstrahlt.The emitter 4 can be omitted if the radiation from the surface of the combustion chamber 2 goes out and on the photovoltaic cells 1 irradiates.
Der Lumineszenzkonzentrator 3 nimmt die von der Brennkammer 2 oder dem Emitter 4 emittierte Strahlungsenergie wenigstens teilweise auf und leitet sie mittels Totalreflexion zu den Seitenrändern. Die Seitenränder sind an den Stellen, an denen keine Strahlung austreten soll, metallisch verspiegelt oder mit einem anderen für Infrarotstrahlung geeigneten Reflektor (Kunststoff, Keramik,..) oder einer reflektierenden Schicht versehen und an den Stellen, an denen die Strahlung austreten soll um zur Brennkammer 2 oder zum Emitter 4 zu gelangen, nicht verspiegelt. Die Seitenflächen des Lumineszenzkonzentrators 3, die nicht zur Brennkammer 2 oder zum Emitter 4 ausgerichtet sind, werden verspiegelt. Bei einer Ausführungsform sind mehrere Lumineszenzkonzentratoren 3 übereinander angeordnet, jeder Konzentrator verarbeitet dabei einen Teil des einfallenden Strahlungsspektrums.The luminescence concentrator 3 takes those from the combustion chamber 2 or the emitter 4 emitted radiation energy at least partially and directs them by total reflection to the side edges. The side edges are in the places where no radiation to escape, metallic mirrored or with another suitable for infrared radiation reflector (plastic, ceramic, ..) or a reflective layer provided and at the points where the radiation is to escape to the combustion chamber 2 or to the emitter 4 to arrive, not mirrored. The side surfaces of the luminescence concentrator 3 not to the combustion chamber 2 or to the emitter 4 are aligned, are mirrored. In one embodiment, multiple luminescence concentrators 3 arranged one above the other, each concentrator processes a part of the incident radiation spectrum.
Zur Auskopplung von Strahlung aus dem Lumineszenzkonzentrator 3 wird eine Strukturierung der Oberfläche 13 (Rillen, Riefen, Löcher, Erhebungen, photonische Nanostrukturen,...) oder eine interne Strukturierung 14 (Gaseinschlüsse, Fehlstellen, Spalten, Inhomogenitäten,...) oder eine Beschichtung der Oberfläche 15 (Kugeln, Körner, photonische Kristallen,...) eingesetzt.To decouple radiation from the luminescence concentrator 3 becomes a structuring of the surface 13 (Grooves, grooves, holes, elevations, photonic nanostructures, ...) or internal structuring 14 (Gas pockets, defects, gaps, inhomogeneities, ...) or a surface coating 15 (Spheres, grains, photonic crystals, ...) used.
Bei einer weiteren Ausführungsform werden auf der Vorderseite oder auf der Rückseite der Photovoltaikzelle 1 ein oder mehrere Schichten aus einem Metamaterial aufgebracht. Diese Schichten aus Metamaterial leiten den Teil der Strahlung, der in der Photovoltaikzelle 1 nicht in elektrischen Strom umgewandelt werden kann, teilweise zur Brennkammer 2 oder zu dem zwischen Brennkammer 2 und Photovoltaikzelle 1 angeordneten Emitter 4 zurück.In another embodiment, on the front or on the back of the photovoltaic cell 1 applied one or more layers of a metamaterial. These layers of metamaterial conduct the part of the radiation that is in the photovoltaic cell 1 can not be converted into electricity, partly to the combustion chamber 2 or to the between combustion chamber 2 and photovoltaic cell 1 arranged emitter 4 back.
Der optische Brechungsindex des Metamaterials ist so eingestellt, dass der in der Photovoltaikzelle 1 unerwünschte Strahlungsanteil durch diese Schichten teilweise zur Brennkammer 2 oder zu dem zwischen Brennkammer 2 und Photovoltaikzelle 1 angeordneten Emitter 4 zurückleitet wird. Der unerwünschte Strahlungsanteil ist der Anteil der Strahlung, der in den Photovoltaikzellen 1 nicht in elektrischen Strom umgesetzt werden kann und nur zur Aufheizung der Zellen führt. Durch einen negativen optischen Brechungsindex in bestimmten Bereichen der Schicht wird die Strahlung so manipuliert, dass sie in dieser Schicht oder durch Totalreflexion in einem darunter liegenden Kollektor zur Brennkammer 2/zum Emitter 4 gelangt. Der Kollektor wird an den Stellen, an denen keine Strahlung austreten soll, metallisch verspiegelt oder mit einem anderen für Infrarotstrahlung geeigneten Reflektor (Kunststoff, Keramik,..) oder einer reflektierenden Schicht versehen und an den Stellen, an denen die Strahlung austreten soll um zur Brennkammer 2 oder zum Emitter 4 zu gelangen, nicht verspiegelt.The optical refractive index of the metamaterial is adjusted to that in the photovoltaic cell 1 unwanted radiation fraction through these layers partly to the combustion chamber 2 or to the between combustion chamber 2 and photovoltaic cell 1 arranged emitter 4 is returned. The unwanted radiation component is the proportion of radiation in the photovoltaic cells 1 can not be converted into electricity and only leads to heating of the cells. By a negative optical refractive index in certain areas of the layer, the radiation is manipulated so that it in this layer or by total reflection in an underlying collector to the combustion chamber 2 / emitter 4 arrives. The collector is at the locations where no radiation to leak, metallized or mirrored with another suitable for infrared radiation reflector (plastic, ceramic, ..) or a reflective layer and at the points where the radiation is to escape to the combustion chamber 2 or to the emitter 4 to arrive, not mirrored.
Ein Raum 7, der die Photovoltaikzelle 1 und den Lumineszenzkonzentrator 3 umgibt oder der an sie angrenzt, ist wenigstens teilweise mit einem Edelgas oder einem Edelgasgemisch oder einem Elementgas oder einem sonstigen Gas oder einem Gasgemisch gefüllt oder in diesem Raum 7 herrscht wenigstens teilweise ein Vakuum. Vorteilhafterweise ist der Teil des Raumes 7, der an die Vorderseite der Photovoltaikzellen 1 angrenzt mit dem gleichen Gas gefüllt und weist den gleichen Gasdruck auf, wie der Teil des Raumes 7, der an die Rückseite der Photovoltaikzellen 1/des Lumineszenzkonzentrators 3 angrenzt. Das Gas, somit das Kühlmedium der Zellen, gibt seine Wärme in einem Wärmetauscher an das Frischgas des Brenners ab und dient somit der Ansaugluftvorwärmung. Wenn Luft als Kühlmedium eingesetzt wird, entfällt der Wärmetauscher und diese erwärmte Luft wird direkt dem Brenner zugeführt und dient als Frischgas (Ansaugluft). Das Kühlmedium in dem Teil des Raumes 7, der an die Vorderseite der Photovoltaikzellen 1 angrenzt kann eine andere Zusammensetzung, eine andere Fließgeschwindigkeit, einen anderen Druck und ein anderes Temperaturniveau aufweisen als das Kühlmedium in dem Teil des Raumes 7, der an die Unterseite der Photovoltaikzellen 1/des Lumineszenzkonzentrators 3 angrenzt. Auch kann der eine Teil des Raumes 7 mit einem Gas gefüllt sein und in dem anderen herrscht ein Vakuum. Dazu wird der Raum dort mit einer Trennwand versehen, wo keine Photovoltaikzellen 1/ Lumineszenzkonzentratoren 3 vorhanden sind und den Raum trennen.A room 7 who owns the photovoltaic cell 1 and the luminescence concentrator 3 surrounds or adjacent to it is at least partially filled with a noble gas or a noble gas mixture or an elemental gas or other gas or a gas mixture or in this space 7 There is at least a partial vacuum. Advantageously, the part of the room 7 placed at the front of the photovoltaic cells 1 adjacent filled with the same gas and has the same gas pressure as the part of the room 7 attached to the back of the photovoltaic cells 1 / of the luminescence concentrator 3 borders. The gas, thus the cooling medium of the cells, releases its heat in a heat exchanger to the fresh gas of the burner and thus serves to preheat the intake air. When air is used as the cooling medium, eliminates the heat exchanger and this heated air is fed directly to the burner and serves as a fresh gas (intake air). The cooling medium in the part of the room 7 placed at the front of the photovoltaic cells 1 adjacent may have a different composition, a different flow rate, a different pressure and a different temperature level than the cooling medium in the part of the room 7 that attaches to the bottom of the photovoltaic cells 1 / of the luminescence concentrator 3 borders. Also, that can be a part of the room 7 be filled with a gas and in the other there is a vacuum. For this purpose, the room is provided there with a partition, where no photovoltaic cells 1 / Luminescence concentrators 3 are present and separate the room.
Die Außenfläche der Brennkammer 2 oder die Oberfläche des Emitters 4 ist mit einer Schicht versehen, die eine Hochkonversion (Up-Conversion) oder eine Abwärtskonversion (Down-Conversion) der elektromagnetischen Strahlung bewirkt. Auch können selektive Emitter eingesetzt werden, beispielsweise photonische Strukturen, Quantenpunkte, Core Shell Quantenpunkte, Multi Shell Quantenpunkte, welche verstärkt die Frequenzbereiche abstrahlen, die in den Photovoltaikzellen 1 umgesetzt werden können. Eine weitere Variante ist die Anordnung einer Schicht aus photonischen Kristallen/ aus einem Metamaterial zwischen dem Emitter 4 und der Photovoltaikzelle 1.The outer surface of the combustion chamber 2 or the surface of the emitter 4 is provided with a layer which causes an up-conversion or a down-conversion of the electromagnetic radiation. It is also possible to use selective emitters, for example photonic structures, quantum dots, core shell quantum dots, multi-shell quantum dots, which radiate out the frequency ranges in the photovoltaic cells 1 can be implemented. Another variant is the arrangement of a layer of photonic crystals / of a metamaterial between the emitter 4 and the photovoltaic cell 1 ,
Die Strahlungseintrittsfläche des Lumineszenzkonzentrators 3 ist mit einer selektiven Schicht versehen (Interferenzfilter, photonische Nanostrukturen, Quantenpunkte,....), die im Wesentlichen die Wellenlängenbereiche der elektromagnetischen Strahlung reflektiert oder umwandelt, die vom lumineszenten Material des Lumineszenzkonzentrators 3 nicht konvertiert würden. Wenn eine Photovoltaikzelle 1 ohne Rückseitenreflektor eingesetzt wird, übernimmt diese reflektierende selektive Schicht die Aufgabe des Rückseitenreflektors und mindert so Verluste durch Emission der erwünschten Strahlung über die Rückseite der Photovoltaikzelle 1. Ein Rückseitenreflektor reflektiert aber auch die Wellenlängenbereiche (langwellige Strahlung), die von der Photovoltaikzelle 1 gar nicht verarbeitet werden können und das führt zur Aufheizung des Reflektors und der Photovoltaikzelle 1. Bei Einsatz eines Lumineszenzkonzentrators 3 anstatt eines konventionellen Rückseitenreflektors passiert dieser langwellige Strahlungsanteil den Filter/ die selektive Schicht des Lumineszenzkonzentrators 3 und gelangt in den Lumineszenzkonzentrator 3.The radiation entrance surface of the luminescence concentrator 3 is provided with a selective layer (interference filter, photonic nanostructures, quantum dots,...) that substantially reflects or converts the wavelength ranges of the electromagnetic radiation that emanate from the luminescent material of the luminescent concentrator 3 would not be converted. If a photovoltaic cell 1 is used without back reflector, this reflective selective layer takes over the task of the back reflector and thus reduces losses by emission of the desired radiation over the back of the photovoltaic cell 1 , A rear-side reflector also reflects the wavelength ranges (long-wave radiation) emitted by the photovoltaic cell 1 can not be processed and this leads to the heating of the reflector and the photovoltaic cell 1 , When using a luminescence concentrator 3 instead of a conventional rear-side reflector, this long-wave radiation component passes through the filter / selective layer of the luminescence concentrator 3 and enters the luminescence concentrator 3 ,
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die V-förmig zueinander ausgerichteten Flächen 6 oder die als parabolische Zylinder 5 angeordneten Zellen in ein oder mehreren Ebenen zwischen mindestens zwei im Wesentlichen ebenen Brennkammern 19 flächig angeordnet sind. 7a und 7b zeigen jeweils einen Schnitt durch einen solchen Stromerzeuger.Another embodiment provides that the V-shaped aligned surfaces 6 or as parabolic cylinders 5 arranged cells in one or more planes between at least two substantially planar combustion chambers 19 are arranged flat. 7a and 7b each show a section through such a generator.
Bei einer Variante wird die Photovoltaikzelle 1 durch eine äußere zylinderförmige Brennkammer 16 im Wesentlichen umschlossen und die Photovoltaikzelle/n 1 umschließen ihrerseits im Wesentlichen eine innere zylinderförmige Brennkammer 18. Raum 7, der die Photovoltaikzellen 1 umgibt oder der an sie angrenzt, wird von einem Kühlmedium durchströmt oder im Raum 7 herrscht ein Vakuum. Vorteilhafterweise ist der Teil des Raumes 7, der an die Vorderseite der Photovoltaikzellen 1 angrenzt mit dem gleichen Gas gefüllt und weist den gleichen Gasdruck auf, wie der Teil des Raumes 7, der an die Rückseite der Photovoltaikzellen 1 angrenzt. Das Gas, somit das Kühlmittel der Zellen, gibt seine Wärme in einem Wärmetauscher an das Frischgas des Brenners ab und dient somit der Ansaugluftvorwärmung. Wenn Luft als Kühlmedium eingesetzt wird, entfällt der Wärmetauscher und diese erwärmte Luft wird direkt dem Brenner zugeführt und dient als Frischgas (Ansaugluft). Das Kühlmedium in dem Teil des Raumes 7, der an die Vorderseite der Photovoltaikzellen 1 angrenzt kann eine andere Zusammensetzung, eine andere Fließgeschwindigkeit, einen anderen Druck und ein anderes Temperaturniveau aufweisen als das Kühlmedium in dem Teil des Raumes 7, der an die Unterseite der Photovoltaikzellen 1 angrenzt. Auch kann der eine Teil des Raumes 7 mit einem Gas gefüllt sein und in dem anderen herrscht ein Vakuum. Dazu wird der Raum dort mit einer Trennwand versehen, wo keine Photovoltaikzellen 1 vorhanden sind und den Raum ohnehin schon trennen. 23 zeigt Querschnitt durch den Stromerzeuger, 25 zeigt einen Längsschnitt des Stromerzeugers. Die innere zylinderförmige Brennkammer 18 wird durch ein oder mehrere Stege im Zentrum der äußeren zylinderförmige Brennkammer 16 fixiert (zeichnerisch nicht dargestellt). Durch diese Stege, die im Innern hohl sind, strömt das Kühlmedium in den Raum 7 und kühlt so die Photovoltaikzellen 1.In one variant, the photovoltaic cell 1 through an outer cylindrical combustion chamber 16 essentially enclosed and the photovoltaic cell / n 1 in turn substantially enclose an inner cylindrical combustion chamber 18 , room 7 that the photovoltaic cells 1 flows around or adjacent to it, is flowed through by a cooling medium or in the room 7 there is a vacuum. Advantageously, the part of the room 7 placed at the front of the photovoltaic cells 1 adjacent filled with the same gas and has the same gas pressure as the part of the room 7 attached to the back of the photovoltaic cells 1 borders. The gas, thus the coolant of the cells, gives off its heat in a heat exchanger to the fresh gas of the burner and thus serves the Ansaugluftvorwärmung. When air is used as the cooling medium, eliminates the heat exchanger and this heated air is fed directly to the burner and serves as a fresh gas (intake air). The cooling medium in the part of the room 7 placed at the front of the photovoltaic cells 1 adjacent may have a different composition, a different flow rate, a different pressure and a different temperature level than the cooling medium in the part of the room 7 that attaches to the bottom of the photovoltaic cells 1 borders. Also, that can be a part of the room 7 filled with a gas and in the other there is a vacuum. For this purpose, the room is provided there with a partition, where no photovoltaic cells 1 are present and already separate the room anyway. 23 shows cross section through the power generator, 25 shows a longitudinal section of the power generator. The inner cylindrical combustion chamber 18 is through one or more webs in the center of the outer cylindrical combustion chamber 16 fixed (not shown in the drawing). Through these webs, which are hollow in the interior, the cooling medium flows into the room 7 and cools the photovoltaic cells 1 ,
Bei einer Bauform sind die innere zylinderförmige Brennkammer 18 und die äußere zylinderförmige Brennkammer 16 an einem Ende des Zylinders miteinander verbunden und das Brenngas 17 strömt so von der inneren zur äußeren Brennkammer oder umgekehrt. Die innere Röhre (Brennkammer 18) und die äußere doppelwandige Röhre (Brennkammer 16) verschmelzen zu einer Brennkammer. Das Brenngas strömt vorteilhafterweise erst durch die innere Röhre, dann durch den ringförmigen Raum der äußeren zylinderförmigen Brennkammer 16. In der inneren Röhre herrschen die höheren Temperaturen, sie hat aber eine kleinere Oberfläche als die äußere zylinderförmige Brennkammer 16. Die Strahlung gelangt von der inneren zylinderförmigen Brennkammer 18 durch die Photovoltaikzelle 1 zur äußeren zylinderförmigen Brennkammer 16 und wird dort recycelt. Ebenso gelangt Strahlung von der äußeren zylinderförmigen Brennkammer 16 durch die Photovoltaikzelle 1 zur inneren zylinderförmigen Brennkammer 18 und wird dort recycelt. Die Außenfläche der inneren zylinderförmigen Brennkammer 18 und die Innenfläche der äußeren zylinderförmigen Brennkammer 16 sind bei dieser Bauform und bei der vorgenannten Variante mit einer Schicht versehen, die eine Hochkonversion (Up-Conversion) oder eine Abwärtskonversion (Down-Conversion) der elektromagnetischen Strahlung bewirkt. Auch können dort selektive Emitter eingesetzt werden, beispielsweise photonische Strukturen, Quantenpunkte, Core Shell Quantenpunkte, Multi Shell Quantenpunkte, welche verstärkt die Frequenzbereiche abstrahlen, die in den Photovoltaikzellen 1 umgesetzt werden können. 24 zeigt einen Längsschnitt durch diesen Stromerzeuger.In one design, the inner cylindrical combustion chamber 18 and the outer cylindrical combustion chamber 16 connected to one end of the cylinder and the fuel gas 17 thus flows from the inner to the outer combustion chamber or vice versa. The inner tube (combustion chamber 18 ) and the outer double-walled tube (combustion chamber 16 ) merge into a combustion chamber. The fuel gas advantageously flows first through the inner tube, then through the annular space of the outer cylindrical combustion chamber 16 , In the inner tube, the higher temperatures prevail, but it has a smaller surface area than the outer cylindrical combustion chamber 16 , The radiation passes from the inner cylindrical combustion chamber 18 through the photovoltaic cell 1 to the outer cylindrical combustion chamber 16 and is recycled there. Likewise, radiation from the outer cylindrical combustion chamber 16 through the photovoltaic cell 1 to the inner cylindrical combustion chamber 18 and is recycled there. The outer surface of the inner cylindrical combustion chamber 18 and the inner surface of the outer cylindrical combustion chamber 16 are provided in this design and in the aforementioned variant with a layer that causes a conversion (up-conversion) or a downward conversion of the electromagnetic radiation. Also, selective emitters can be used there, such as photonic structures, quantum dots, core shell quantum dots, multi-shell quantum dots, which emit the frequency ranges amplified in the photovoltaic cells 1 can be implemented. 24 shows a longitudinal section through this generator.
Bei einer Ausführungsform sind die Photovoltaikzellen 1 entweder als parabolische Zylinder 5 oder als V-förmig zueinander ausgerichtete Flächen 6 angeordnet, wobei jeweils mehrere parabolische Zylinder 5 oder mehrere V-förmig zueinander ausgerichtete Flächen 6 kreisförmig aneinander gereiht sind und auf einer zylindrischen Fläche zwischen der äußeren zylinderförmigen Brennkammer 16 und der inneren zylinderförmigen Brennkammer 18 aneinandergereiht sind. Durch die V-förmig zueinander ausgerichteten Flächen 6, die kreisförmig aneinander gereiht sind, wird ein Raum umschlossen, der im Wesentlichen eine sternförmige Querschnittsfläche aufweist. Die Photovoltaikzellen 1 folgen somit im Wesentlichen der äußeren Kontur eines Sternpolygons (26 zeigt einen 3D-Schnitt, 30 zeigt einen Querschnitt). Die parabolischen Zylinder 5 sind im Kreis aneinander gereihte Tröge mit parabelförmigem Querschnitt, wobei die Kontur nicht unbedingt dem exakten Verlauf einer Parabel folgen muss, sondern diesem Verlauf angenähert ist (27 zeigt einen 3D-Schnitt, 28 und 29 zeigen Querschnitte). Mit der sternförmigen Querschnittsfläche, beziehungsweise dem parabelförmigen Querschnitt der Photovoltaikzellen 1 ist hier nicht die Oberflächenstruktur der Photovoltaikzellen 1 gemeint (nicht die Antireflexionsschichten oder ähnliches), sondern die Anordnung der Photovoltaikzellen im Raum.In one embodiment, the photovoltaic cells are 1 either as a parabolic cylinder 5 or as V-shaped aligned surfaces 6 arranged, each with several parabolic cylinders 5 or a plurality of V-shaped aligned surfaces 6 are strung together in a circle and on a cylindrical surface between the outer cylindrical combustion chamber 16 and the inner cylindrical combustion chamber 18 strung together. By the V-shaped aligned surfaces 6 , which are lined up in a circle, a space is enclosed, which has a substantially star-shaped cross-sectional area. The photovoltaic cells 1 thus essentially follow the outer contour of a star polygon ( 26 shows a 3D cut, 30 shows a cross section). The parabolic cylinders 5 are troughs arranged in a circle with a parabolic cross-section, whereby the contour does not necessarily have to follow the exact course of a parabola, but is approximated to this course ( 27 shows a 3D cut, 28 and 29 show cross sections). With the star-shaped cross-sectional area, or the parabolic cross section of the photovoltaic cells 1 here is not the surface structure of the photovoltaic cells 1 meant (not the antireflection layers or the like), but the arrangement of photovoltaic cells in space.
Bei einer Ausführungsform weisen die Photovoltaikzellen 1 eine Wellenform auf. Die Photovoltaikzellen 1 sind wellenförmig auf einer zylindrischen Grundform angeordnet. Die Wellenform folgt im Wesentlichen einer Sinusfunktion, sie kann aber auch aus Halbkreisen zusammengesetzt sein. Solch ein Zylinder mit wellenförmiger Oberfläche entsteht auch, wenn man ein ebenes Wellblech aufrollt. In 31 ist dieser Stromerzeuger im Schnitt dargestellt.In one embodiment, the photovoltaic cells 1 a waveform on. The photovoltaic cells 1 are arranged undulating on a cylindrical basic shape. The waveform essentially follows a sine function, but it can also be composed of semicircles. Such a cylinder with a wave-like surface is also formed when rolling up a flat corrugated sheet. In 31 This power generator is shown in section.
Die Photovoltaikzelle/n 1 bestehen aus dünnen Folien oder dünnen Schichten und diese dünnen Folien oder Schichten sind auf einem Stützgerüst oder einem Skelett 8 angeordnet (14). Geeignete Materialen für die Photovoltaikzellen 1 sind beispielsweise GaAs, GaInP, GaINAs, Ge, GaSb, InGaAs, InPAsSb, InGaAsSb, Si, PbSe, CdTe und Perowskite. Die Photovoltaikzelle 1 kann monolagig sein oder als Stapelzelle aus 2 oder 3 oder auch mehr übereinander angeordneten Halbleitermaterialien bestehen, wobei in jede Lage/Teilzelle auch eine Zwischenschicht eingefügt sein kann, wie beispielsweise bei Zwischenbandzellen oder Mehrübergangszellen. Die oberste Schicht der Photovoltaikzelle 1 absorbiert einen Wellenlängenbereich der kurzwelligen Strahlung, die unterste einen Wellenlängenbereich längerwelliger Strahlung und der Strahlungsanteil der auch in der untersten Schicht nicht absorbiert wird gelangt entweder in den Lumineszenzkonzentrator 3 oder ins Metamaterial oder gelangt zur gegenüberliegenden Brennkammer. Bei Verwendung von Photovoltaikzellen 1 ohne Rückseitenreflektor werden die Zellen als bifaziale Ausführung eingesetzt, das heißt, die Rückseite der Zellen ist im Wesentlichen durchlässig für Strahlung, die Rückseitenelektrode wird nicht vollflächig ausgeführt, sondern in Form von feinen Drähten/Streifen oder einer feinen Netzstruktur. So kann die durch die Rückseite emittierte Strahlung dieser Zellen auf gegenüberliegende oder benachbarte Zellen oder die gegenüberliegende Brennkammer einstrahlen. Es kann aber auch ein Rückseitenreflektor eingesetzt werden, beispielsweise wenn kein Lumineszenzkonzentrator 3 verwendet wird. Bei einer Ausführungsvariante mit Lumineszenzkonzentrator 3 wird an diesem oder im Abstand bis zu wenigen Millimetern, an der der Eintrittsapertur des Lumineszenzkonzentrators 3 gegenüberliegenden Oberfläche (seiner Rückseite) zusätzlich ein Rückseitenreflektor angeordnet. Vorteilhafterweise arbeitet man aber ohne Rückseitenreflektor, nutzt ein Kühlmedium, welches wenig oder keine Strahlungsenergie absorbiert (z.B. symmetrische Moleküle wie Stickstoff oder mit einem Edelgas) und die Strahlung strahlt durch das Kühlmedium rückseitig in die gegenüberliegende oder benachbarte PV-Zelle, wird dort absorbiert oder gelangt zum Emitter 4 oder zur Brennkammer 2 und wird dort recycelt. Bei der Variante mit äußerer Brennkammer 16 und innerer Brennkammer 18 gelangt die Strahlung durch die PV-Zelle direkt auf die gegenüberliegende Brennkammer und wird dort recycelt. Bei Einsatz von Zellen mit Rückseitenreflektor legt die rückseitig emittierte verwertbare Strahlung, die vom Reflektor rückseitig wieder in die Zelle eingekoppelt wird, die gleiche Wegstrecke im Zellmaterial zurück wie bei ihrem alternativen Weg durch eine gegenüberliegende oder benachbarte Photovoltaikzelle 1. Allerdings entfallen bei der Variante ohne Rückseitenreflektor die Verluste durch selbigen.The photovoltaic cell (s) 1 are made of thin films or thin layers, and these thin films or layers are on a scaffold or a skeleton 8th arranged ( 14 ). Suitable materials for the photovoltaic cells 1 For example, GaAs, GaInP, GaINAs, Ge, GaSb, InGaAs, InPAsSb, InGaAsSb, Si, PbSe, CdTe, and perovskites. The photovoltaic cell 1 may be monolayer or consist of a stacked cell of 2 or 3 or more stacked semiconductor materials, wherein in each layer / subcell and an intermediate layer may be inserted, such as in inter-band cells or multi-junction cells. The topmost layer of the photovoltaic cell 1 absorbs a wavelength range of the short-wave radiation, the lowest one wavelength range of longer-wave radiation and the radiation fraction which is not absorbed even in the lowermost layer passes either into the luminescence concentrator 3 or into the metamaterial or reaches the opposite combustion chamber. When using photovoltaic cells 1 Without back reflector, the cells are used as a bifacial design, that is, the back of the cells is substantially transparent to radiation, the back electrode is not carried out over the entire surface, but in the form of fine wires / stripes or a fine mesh structure. Thus, the radiation emitted by the back of these cells can radiate on opposite or adjacent cells or the opposite combustion chamber. However, it is also possible to use a rear-side reflector, for example if no luminescence concentrator 3 is used. In an embodiment variant with luminescence concentrator 3 is at this or in the distance up to a few millimeters, at the entrance aperture of the luminescence 3 opposite surface (its back) additionally arranged a back reflector. Advantageously, but works without back reflector, uses a cooling medium, which absorbs little or no radiant energy (eg symmetric molecules such as nitrogen or with a noble gas) and the radiation radiates through the cooling medium on the back in the opposite or adjacent PV cell is absorbed or passes there to the emitter 4 or to the combustion chamber 2 and is recycled there. In the variant with outer combustion chamber 16 and internal combustion chamber 18 The radiation passes through the PV cell directly to the opposite combustion chamber and is recycled there. When cells are used with a back reflector, the radiation emitted from the rear, which is coupled back into the cell from the back of the reflector, travels the same distance in the cell material as in its alternative path through an opposing or adjacent photovoltaic cell 1 , However, in the variant without rear-side reflector, the losses are eliminated by the same.
Das Stützgerüst oder Skelett 8 hat innenliegende Kühlkanäle 9, durch die ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium strömt. Das Stützgerüst oder Skelett 8 besteht entweder aus Rohren oder Hohlprofilen und diese werden vom Kühlmedium durchströmt oder die Rohre/Profile werden nicht vom Kühlmedium durchströmt und das Kühlmedium strömt durch den Freiraum, der zwischen den Rohren/Streben/Stützen/Profilen und den Photovoltaikzellen 1 vorhanden ist. Eine weitere Variante besteht darin, dass die innenliegenden Kühlkanäle 9 von einem Kühlmedium durchströmt werden und der Freiraum zwischen dem Stützgerüst oder Skelett 8 und den Photovoltaikzellen 1 mit einem weiteren Kühlmedium befüllt ist, welches die Wärme in erster Linie mittels Konvektion zum Stützgerüst oder Skelett 8 fördert und dort abgibt.The scaffold or skeleton 8th has internal cooling channels 9 through which a liquid or gaseous cooling medium flows. The scaffold or skeleton 8th consists of either tubes or hollow sections and these are flowed through by the cooling medium or the tubes / profiles are not flowed through by the cooling medium and the cooling medium flows through the space between the tubes / struts / columns / profiles and the photovoltaic cells 1 is available. Another variant is that the internal cooling channels 9 be traversed by a cooling medium and the space between the scaffold or skeleton 8th and the photovoltaic cells 1 is filled with a further cooling medium, which the heat primarily by convection to the scaffold or skeleton 8th promotes and gives away.
Das Stützgerüst oder Skelett 8 besteht aus einem Material, welches Infrarotstrahlung im Wesentlichen reflektiert oder die Außenfläche/Innenfläche ist mit einer Schicht, welche Infrarotstrahlung im Wesentlichen reflektiert, versehen. Das Stützgerüst oder Skelett 8 kann auch aus einem für Infrarotstrahlung im Wesentlichen transparenten Material bestehen.The scaffold or skeleton 8th consists of a material which substantially reflects infrared radiation or the outer surface / inner surface is provided with a layer which substantially reflects infrared radiation. The scaffold or skeleton 8th may also consist of a material substantially transparent to infrared radiation.
Bei einer Ausführungsform ist der Raum zwischen Emitter 4 und Photovoltaikzelle 1 mit einem Material ausgefüllt, welches einen optischen Brechungsindex größer 1,1 aufweist. Der Emitter 4 kann auch entfallen, dann emittiert die Brennkammer die Strahlung durch das Material mit dem Brechungsindex größer 1,1 auf die Photovoltaikzellen 1.In one embodiment, the space is between emitters 4 and photovoltaic cell 1 filled with a material having an optical refractive index greater than 1.1. The emitter 4 can also be omitted, then the combustion chamber emits the radiation through the material with a refractive index greater than 1.1 on the photovoltaic cells 1 ,
Der Stromgenerator ist ausgestattet mit einem Brenner, Kraftstofftank, Wärmetauscher, Kühler mit Kühlleitungen, Abgastrakt mit Abgasreinigungseinrichtung, Luftfilter, Frischluftgebläse, Akku und mit einer Steuerung/Regelung. Er kann für eine extrem schadstoffarme Verbrennung zusätzlich mit einem Sauerstofftank und mit einem Sauerstoffkonzentrator/ Sauerstoffgenerator versehen werden. Diese Ausstattungen können auch teilweise gemeinsam vom Stromerzeuger und von anderen Vorrichtungen genutzt werden.The power generator is equipped with a burner, fuel tank, heat exchanger, radiator with cooling pipes, exhaust tract with exhaust gas purification device, air filter, fresh air blower, battery and with a control / regulation. It can also be equipped with an oxygen tank and an oxygen concentrator / oxygen generator for extremely low-emission combustion. These features can also be used in part by the generator and other devices.
In einer weiteren Ausführungsform besteht der Emitter 4 aus einer LED (Light emitting diode), an die zusätzlich eine elektrische Spannung angelegt wird. Die Brennkammer oder eine beliebige externe Wärmequelle beheizt die LED. Diese Anordnung wird auch als Thermophotonischer Generator bezeichnet. Die Voraussetzung dafür, dass in der Photovoltaikzelle 1 mehr elektrische Energie erzeugt wird, als an elektrischer Energie in die LED hineinfließt, ist allerdings ein sehr hoher Wirkungsgrad der LED. Für solch eine Anordnung sinken die benötigten Brennkammer-/Emittertemperaturen auf wenige hundert Kelvin.In a further embodiment, the emitter 4 from an LED (light emitting diode) to which an additional electrical voltage is applied. The combustion chamber or any external heat source heats the LED. This arrangement is also referred to as a thermophotonic generator. The prerequisite for being in the photovoltaic cell 1 However, more electrical energy is generated than flows into electrical energy in the LED, however, is a very high efficiency of the LED. For such an arrangement, the required combustor / emitter temperatures drop to a few hundred Kelvin.