DE3226167A1

DE3226167A1 - Sonnenenergie-umwandlungsanlage

Info

Publication number: DE3226167A1
Application number: DE19823226167
Authority: DE
Inventors: Sieghard Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Gall
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-07-13
Filing date: 1982-07-13
Publication date: 1984-01-19
Also published as: DE3226167C2

Description

Pat.#ntbcsc#reib#ng:
Die Erfindung betrifft eine Sonnenenergie-Umwandlungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine Sonnenenergie-Umwandlungsanlage mit einem strahlenbündelnden System, wobei die gebündelten Strahlen von Solarzellen und mindestens einem Wärmeabsorber aufgenommen werden, ist aus DF-OS 28 555 53 bekannt. Dabei wird die auf die Solarzellen gerichtete gebündelte Solarstrahlung durch einen vor den Solarzellen befindlichen Sekundärspiegel in einen von den Solarzellen in elektrische Energie umsetzbaren, durchgelassenen spektralen Anteil und in einen komplementären, reflektierten spektralen Anteil getrennt. Der reflektierte Anteil wird. auf einen getrennten thermischen Absorber konzentriert urd in Wärme umgesetzt.
Durch die Abspaltung des von den Solarzellen nicht oder nur gering nutzbaren spektralen Anteils werden die Solarzellen unter sonst gleichen Randbedingungen thermisch entlastet und erreichen dadurch einen temperaturbedingt höheren Wirkungsgrad der Umsetzung Strahlungsenergie -elektrische Energie der Solarzellen. Aus der spektralen Empfindlichkeitsverteilung der eingesetzten Solarzellen resultiert die zu fordernde spektrale Transmission bzw.
Reflexion des Sekundärspiegels, daraus folgen die vom Sekundärspiegel durchgelassenen bzw. reflektierten Leistungsanteile der gebündelten Solarstrahlung.
Unabhängig von der Relation dieser Leistungsanteile wird von dem a1lf die Solarzellen fallenden Leistungsanteil nur ein dem Umsetzungswirkungsgrad entsprechender zellen-und temperaturabhängiger Bruchteil von 15 bis 20 in elektrische Energie umgesetzt, der komplemetäre Anteil von 80 bis 85% bleibt ungenutzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die durch optische Systeme aufwendig gebündelte Solarstrahlung in kombivierter elektrisch/thermischer Umsetzung zu einem mög- lichst hohen Anteil zu nutzen.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
In der erfindungsgemäßen Sonnenenergie-Umwandlungsanlage wird in der als Solarwandler bezeichneten Einheit eine kombiniew*e Umsetzung der gebündelten Solarstrahlung in elektrische und thermische Energie realisiert.
Im Unterschied zur Anlage nach dem beschriebenen Stand der Technik, bei der eine getrennte elektrisch/thermische Nutzung der durch Sekundärspiegel gesplitteten spektralen Anteile in getrennten einheiten ohne Nutzung des aufgrund des physikalisch begrenzten Umsetzungswirkungsgrades thermisch an den Solarzellen anfallenden energetischen Anteils erfolgt, wird beim erfindungsgemäßen System in einer abgeschlossenen Solarwandler-Finheit die auf diese treffende gebündelte Solarstrahlung in elektrische Energie umgewandelt und der nicht in elektrische Energie umgewandelte Anteil in nutzbare ,thermische Energie umgesetzt. Im Unterschied zur Anlage nach dem beschriebenen Stand der Technik erfolgt beim erfindungsgemäßen System eine energetische Teilabspaltung durch spektral selektive Strahlenabsorption des-Fluids in einen thermischen Anteil, wobei das Fluid daneben als Wärmeträger uni zur Zellenkühlung unter Nutzung der an den Solarzellen anfallenden thermischen Energie verwendet wird.
Im angeführten System nach dem Stand der Technik sind im spektral selektiven, als Sekundärspiegel ausgebildeten Element die durchgelassenen und reflektierten spektralen Anteile relevant, während der absorbierte Anteil dieser Elemente gering -ist; hingegen ist im erfindungsgemäßen System als spektral selektives Element das Fluid durch die spektralen Anteile der Transmission, der Absorption und Streuung kennzeichnend.
Bei der erfindungsgemäßen Soiinenenergie-Umwandlungsanlage wird die auf den Solarwandler fallende gebündelte Strahlung bis auf thermische und Strahlungs-Verluste an den Aussenflächen des# Solarwandlers und der Fluid-Leitungen, sowie bis auf den aus dem Eintrittsfenster der primär gebündelten Strahlung austretenden Streustrahlenanteil vollständig in elektrische und nuztbare thermische Energie umgesetzt.
Unter Einsatz von Solarzellen mit günstigem Temperaturverhalten des Zellen-Umsetzungswirkungsgrades Strahlungsenergie - elektrische Energie, z.B. auf Gallium-Arsenid-Basis, wird beim erfindungsgemäßen System gebündelte Solarstrahlung in elektrische Energie umgewandelt, wobei der nicht in elektrische Energie umgesetzte Anteil der in den Solarzellen absorbierten Strahlung an ein Fluid durch Wärmeübergang abgegeben wird und dieses Fluid den durch Eigenabsorption bestimmten spektralen Anteil, der komplementär zu dem von den Solarzellen in elektrische Energie umsetzbaren Anteil beschaffen sein soll, absorbiert, und das Fluid weiterhin durch Wärmeübergang den an der Wandung des Solarwandlers, am Abflußrohr und an der Abflußrohr und Solarwandler mechanisch verbindenden Radialstruktur in Wärme umgesetzten Strahlungsanteil aufnimmt.
D'as Fluid erfährt im Solarwandler eine dreistufige Temperaturerhöhung, an den SBarellen beim Niveau der Ein# trittstemperatur, im zentralen Fluii-Bereich bei höherem Temperatirniveau, und im Bereich der Radialstruktur und des Abf lußrohrs bei weiter erhöntem Temperaturniveau, so daß für die Solarzellen ein temperaturbedingt höherer Umsetzungs-Wirkungsgrad,bei bestimmtem erreichtem Temperaturniveau der gesamten nutzbaren thermischen Energie, durch das erfindungsgemäße System erreicht wird.
Die erfindungsgem e Sonnenenergie-Umwandlungsanlage kann z.. vorteilhaft zur Erzeugung von elektrischer Energie unter Auskopplung der Prozesswärme an eine Ammoniak-Wasser- Absorberkühlmaschine zur Klimatisierung und Kühlung eingesetzt werden. Das über den Solarwandler gepumpte Fluid wird z.B. von 430 K Eintrittstemperatur auf 460 K Austrittstemperatur gebracht und gibt über einen integrierten Wärmeübertrager Prözesswärme ab oder belädt mit entsprechenden Temperaturen einen temperatur-geschichteten Speicher. Betriebs-Eintritts- und -Lustritts-Temperaturen am Solarwandler orientieren sich an der erforderlichen Arbeitstemperatur des angekoppelten Prozesses, der Leistungsanpassung und den Leistungsübertragern.
Die für den Umsetzungswirkungsgrad Strahlungsleistung -elektrische Leistung der Solarzellen bestimmende Solarzellen-Temperatur bestimmt sich aus den Betriebs-Eintritts- und -A'ustritts-Temperaturen des Fluids am Solarwandler, der Relation der an den Solarzellen anfallenden thermischen Leistung gegenüber der im Fluid durch RigenabsorptiDn und an den vorderen Solarwandlerelementen anfallenden thermischen Leistung, und dem Wärmeübergangsvorgang an den Grenzflächen vluid/Solarzellen. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion und Ausgestaltung wird die Solarzellen-Temperatur nahe an der Fluid-Eintritts-Temperatur gehalten.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen Fig..1 und Fig.2 dargestellten A#usführungsform erläutert.
Fig.1 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Solarwandler mit den wichtigsten Details, sowie eine Skizzierung der wirksamen Strahlenbündel.
Die Fluidzuführuni: zum kugelförmigen Solarwandler erfolgt durch das Zuführungsrohr ',0, dessen Oeffnungen 31, 32, 33 und die abschließendo strahlendur'chäsige Fluidführung @@ so b@mes@@n sind,daßdiedaß jeweiligen Fluid-Teilströme zu den in der Wabenstruktur-Kugelschale 23 gehalterten Solarzellen 22 einen entsprechenden Wärmeübergang gewährleisten, und auüerdern im zentralen Fluid-Bereich des Solarwandlers die erforderliche Strömung in Richtung auf das Fluid-Abflußrohr 19 gegeben ist.
Die Wabenstruktur-Kugelschale 23 ist konzentrisch zum Mittelpunkt des engsten Strahlenbündels 15, mit einer kreisförmigen Öffnung für das Fluid-Zuführungsrohr ausgebildet und durch elastische Verbindungsteile 29 an der Wandung des Solarwandlers gehaltert. Durch entsprechende Verschiebung der Wabenstruktur-Kugelschale 23 zur Eintrittsseite des Fluids kann eine Anpassung der Strömungsquerschnitte im Bereich Wabenstruktur-Kugelschale zu Solarwandler-Wandung realisiert werden.
Die Wabenstruktur-Kugelschale 23 trägt die einzelnen Solarzellen 22, die ihrerseits zu Gruppen elektrisch seriell verschaltet sind. Die Stromleitungen von den Solarzellen 22 nach außen erfolgen durch die metallischen elastischen Verbindungsteile 29.
Die Wabenstruktur-Kugelschale 23 ist in einer zweckmäßigen Ausführung aus Keramikmaterial mit integrierten metallischen Leitern zum Verschalten der Solarzellen 22 aufgebaut. Die einzelnen Solarzellen 22 sind zweckmäßig zur mechanischen Stabilisierung auf metallischen Basisplatten, mit Ri#penstrukturen, zur Fluidströmung ausgerichtet, wahlweise über dünne Keramikplättchen zur elektrischen Isolierung, aufgebaut. Die einzelnen Solarzellen 22 sind jeweils über die metallischen Basisplatten auf polygon oder kreisförmig begrenzten Waben befestigt, wobei die Basisplatte jeweils einen der Solarzellen-Anschlüsse darstellt, während der zweite Solarzellenanschluß an die Basisplatte der nächsten seriell geschalteten Solarzelle geführt ist. Durchbrüche 28 in der Waben#truktur-Kugelschale 23 und in Auflagebereich der Sölarzellen-Basisplatten zur tragenden Wabenstruktur vergrößern die Wärmeaustauschfläche zu den Solarzellen 22 und verbessern den Wärmeübergang zum Fluid.
Der kugelförmige Solarwandler ist im Eintrittsbereich der gebündelten Solarstrahlung von einem strahlungsdurchlässigen, als Kugelschale 21 ausgebildeten Fenster 21 abgeschlossen. Das Fenster 21 wird durch die Radialstruktur 20, welche das tragende Fluid-Abflußrohr 19 mit dem Innenbereich des Solarwandlers über eine Anzahl zur Einfallsrichtung der gebündelten Strahlung fluchtender sichelförmiger metallischer Träger verbindet, mechanisch entlastet.
Zweckmäßig wird der Solarwandler fertigungstechnisch in eine erste Halbkugel, welche die zum Fluid-Abflußrohr 19 verbindende Radialstruktur 20 und die strahlungsdurch-# lässige Kugelschale 21 enthält, und# eine zweite Halbkugel mit dem Fluid-Zuführungsrohr 30, der Fluid-Teilung mittels der Öffnungen 31, 32, 33 dem strahlendurchlässhgen Fluid-Umlenker 27 und der Wabenstruktur-Kugelschale 23 mit den Solarzellen 22 gegliedert.
Die einfallende gebündelte Solarstrahlung ist in Fig.1 mit den Strahlen 10, 11, 12, 13, 14 skizziert, wobei die Strahlen 11 an der äußeren Grenze des Fensters 21 zur A#ßenfläche 26 des Solarwandlers in den Innenbereich des Solarwandlers eintreten, während die Strahlen 12 auf die Außenfläche 26 treffen und absorbiert werden. Die Strahlen 13 treten an der inneren Grenze des Fensters 21 zum Fluid-Abflußrohr 19 in den Innenbereich des Solarwandlers, die Strahlen 14 werden an der Außenwandung des Fluid-Abflußrohrs 19 absorbiert. Strahlen, die auf die Stirnflächen der Radialstruktur 20 und streifend auf deren Seitenflächen fallen, werden ebenfalls absorbiert.
Die- Strahlen 10 und 13 treffen nach Fig.1 in einem Brennpunkt zusammen, in Wirklichkeit wird das Gesamtstrahlenbündel in einem Brennfleck 15 konzentriert, wobei die Strahlen 11 in Fig.1 eine entsprechende Atweicäung vom idealen Strahlenverlauf darstelLen. Bei idealer Systemnachführung zur Sonne wird die Ausdehnung des Brennflecks durch die Divergenz der auf das konzentrierende System einfallenden solaren Strahlung und durch die Ungenauig- keiten les Spiegelparaboloids als konzentrierendem System bestimc t. Dazu kommt nun beim erfindungsgemäßen System die Streuung der Strahlung im Fluid. In Fig.1 sollen durch die gestrichelten Linien 17 Positionen bestimmter Streu.
strahlenintensität bezeichnet werden, die so bemessen ist, daß die in den äußersten Solarzellen 22 erhaltene Strahlungsdichte gegenüber der mittleren Strahlungsdichte aller Zellen akzeptabel ist. Der nicht auf Solarzellen 22 fallende Anteil der Streustrahlen 18 wird hauptsächlich an den Innenflächen 25 des Solarwandlers absorbiert.
Die vom zentralen Fluidbereich auf das strahlendurchlassige Fenster 21 erfolgende Rückstreuung wird durch die Radialsvrllktur 20 zu einem Anteil absorbiert, der sich aus den mittleren projizierten Flächen der sichelförmigen Teile der Radialstruktur 20 und der mittleren Distanz zu den Streuzentren ergibt.
Anstelle des in Fig.1 dargestellten Strahlungsverlaufs am Solarwandler zeigt Fig.2 einen skizzierten Strömungsverlaufs des Fluids im Solarwandler.
Das im Zuführungsrohr 30 strömende Fluid wird durch die oeffnungen 31, 32, 33 in entsprechende Teilströme gegliedert, die Solarzellen 22 werden über Öffnungen 32, deren Basisplatten werden über Offnuncer. 31 angeströmt, über die Dürchbrüche 28 wird die Wabenstruktur-Kugelschale 23 umströmt, um einen möglichst guten Wärmeübergang zu erreichen. Mittels der für die Solarstrahlung durchlässigen Fluid-Umlenkung 27 wird die Anströmung der Solarzellen 22 von der Vorderseite verstärkt. Durch den über die Öffnung 33 erfolgenden zentralen Fluid-Teiltrom werden die im zentralen Bereich erforderlichen Strömungsgeschwindig keiten gewährleistet.
Im zentralen Fluld-Bereich ergibt sich die pro Volumeneinheit resultierende Eigenabsorption der gebündelten und der gestreuten Strahlung entsprechend der Strahlungsdichte und der Konzentration der strahlungsabsorbierenden Bestandteile des Fluids.
Die lokal erforderliche minimale Fluidgeschwindigkeit wird abgestimmt auf die im Fluid lokal umgesetzte Strahlung leistung, die Basistemperatur und die Grenztemperatur des Fluids.
Die Anströmung der Radialstruktur 20, des Strahleneintrittsfenster 21 und des Fluid-Abflußrohrs 19 gewähr leistet einen entsprechenden Wärmeübergang und damit die Nutzung der in Wärme umgesetzten absorbierten Strahlung als Temperaturerhöhung des aus dem zentralen Bereich des Solarwandlers anströmenden Fluids.
DWs verwendete Fluid muß im eingesetzten Temperaturbereich beständig sein, muß mit den Solarzellen m&terialverträglich sein, muß elektrisch nichtleitend sein.
Die spektrale Eigenabsorption des Fluids darf über die durch die Solarwandler-Dimension bestimmte Weglänge den von den Solarzellen 22 in elektrische Energie umsetzbaren spektralen Anteil nur wenig schwächen.
Der von den Solarzellen 22 nicht nutzbare spektrale Anteil der durch das Fenster 21 in den Solarw.r.dler eingetretenen Solarstrahlung soll durch das Fluid möglichst stark über die durch die Solarwandler-Dimensior bestimmte Weglänge geschwächt werden, wobei durch Zusatz entsyrechender Farbstoffe zum Fluid eine Anpassung an die zur spektralen Empfindlichkeitskurve der Solarzellen 22 komplementäre Kurve erfolgt.

Claims

Sonnenenergie-Umwandlungsanlage Patentansprüche: Sonnenenergie#Jmwandlungsanlage mit einem strahlenbündelnden System, wobei die gebündelten Strahlen von Solarzellen und mindestens einem Wärmeabsorber auf,enommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die gebündelte Solarstrahlung in der Begrenzung durch die Strahlen (10) und (13) ein strahlungsdurchlässiges Fenster (21) des Solarwandlers passiert, im Fluid des Solarwandlers den engsten Querschnitt (15) erreicht, und deråenige spektrale Strahlungsanteil, welcher von den Solarzellen (22) nicht in elektrische Energie umsetzbar ist, vom Fluid möglichst stark absorbiert wird, während der von den Solarzqllen (22) in elektrische Energie umsetzbare spektrale Strahlungsanteil möglichst ungeschwächt das Fluid durchluft, daß das wieder divergiererde Strahlenbündel (1@) auf die in einer Wabenstrutur-Kugelschale (23) gehalterten Solarzellen (22) fällt, wobei die von den Solarzellen ( 22) möglichst vollständig absorbierte auftreffende Strahlung mit dem Zellenwirkungsgrad in elektrische Energie umgewandelt wird und der nicht in elektrische Energie umgewandelte absorbierte Anteil als Wärme anfällt, daß die auf die Innenwandung (25) des Solarwandlers treffende vom Fluidbereich ausgehende Streustrahlung (18), die auf die Außenwandung (26) des Solarwandlers auerhalb des durchlässigen Fensters (21) treffende, primär gebündelte Solarstrahlung (12), die auf das Fluid-Abflurohr (19) treffende, primär gebündelte Solarstrahlung (14), die auf die Radialstruktur (20) treffenden primär gebündelten Strahlungsanteile und die vom Fluid auf die clie Radialstruktur (20) und das Fluid-Abf lußrohr (19) rücesreute Strahlung möglichst vollständig absorbiert werden, daß das Fluid, in einem Kreislauf, mittels einer Pumpe in Gang gehalten, von einem Wärmeübertrager zur kuskopplung thermischer Energie aus dem Kreislauf- kommend, durch das Zuflußrohr (30) in den Solarwandler eintritt und den von den Solarzellen (?2) nicht in elektrische Energie, sondern in Wärme umgewandelten Anteil der vcn den Solarzellen (22) absorbierten Strahlung unter Temper&turerhöhung aufnimmt, anschließend den zentralen Bereich des Solarwandlers durchläuft und dort die Energie der im Fluid selbst absorbierten Strahlung sowie Wärme der an der Innenwandung (25) des Solarwandlers absorbierten Strahlung und der an der Außenwand (26) absorbierten Strahlung unter Temperaturerhöhung auf nimmt, schließlich von der Radialstruktur (20) und dem anschließenden Abflußrohr (19) die von diesen absorbierte Strahlung als Wärme unter weiterer Temperaturerhöhung- aufnimmt und wieder zum Wärmeübertrager des Kreislaufs transportiert wird, daß das über das Zuflußrohr (30) in den Solarwandler strömende Fluid in eine ersten anteil durch Öffnungen (31) die Druckseite der Wabenstruktur-Kugelschale (23) und die Trager der Solarzellen (22) anströmt und von dort teilweise durch Öffungen (28) der Wabensuruktur-Kugelschale (23) auf die Zellenseite durchtritt, in einem zweiten Anteil iber Offnungen (32) durch die strahlendurchlässige Fluidführung (27) gelenkt, die Vorderseiten der Solarzellen (22) anströmt, und ein dritter Anteil über die Öffnung (33) den zentralen Bereich des Solarwandlers in Achsenrichtung abströmt, wobei die Aufteilung der Fluid-Teilströme so bemessen ist, dass an den Solarzellen (22) ein möglichst guter Wärmeübergang erfolgt und gleichzeitig für das Fluid im zentralen Bereich des Solarwandlers die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit gegeben ist.
2.) Sonnenenergie-Umwandlungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Solarwandler kugelförmig ausgebildet ist, daß das strahlungsdurchlässige Fenster (21) des Solarwandlers als Kugelsegment ausgebildet ist und den Innenbereich des Solarwandlers abschließt.
3,) Sonnenenergie-Umwandlungsanlage nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid-Abführun#srohr (19) in der Symmetrieachse eines Paraboloid-Spiegels als strahlenbündelndem System verläuft und über eine zur Einfallsrichtung der gebündelten Strahlung flucht ende Radialstruktur (20) den Solarwandler trägt und zum Zentrum des strahlenbündelnden Systems auf dessen Tragestruktur abstützt, daß das vom Wärmeübertrager des Fluid-Kreislaufs an die Zuflußöffnung (24) des Solarwandlers führende Fluid-Zuführungsrohr (30) den Solarwandler zum unteren Teil der Tragestruktur des strahlenbündelnden Systems abstützt.
4.) Sonnenenergie-Ümwandlungsanlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wabenstruktur-Kugelschale (23) mit den Solarzelfflen (22) über elastische Träger (29) im Solarwandler gehaltert ist und bei starken Drucunterschieden zwischen beiden Seiten ausgelenkt wird.