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DE3835279A1 - Energiequelle mit einem photovoltaischen element - Google Patents

Energiequelle mit einem photovoltaischen element

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DE3835279A1
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Willi Schickedanz
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    • H02S99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
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    • H02S40/40—Thermal components
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiequelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Möglichkeit, elektrischen Strom direkt aus Sonnenenergie herzustellen, gibt es schon seit anderthalb Jahrhunderten, als der Physiker Alexandre Edmond Becquerel den Photoeffekt entdeckte. Der Einsatz dieses Photo­ effekts in der Praxis scheitert jedoch of an den Herstellungskosten der Sonnenzellen sowie an deren kleinem Wirkungsgrad. Photozellen werden deshalb nur dort eingesetzt, wo geringe elektrische Energien benötigt wer­ den, z.B. bei Uhren oder Taschenrechnern, oder dort, wo der Preis keine Rolle spielt, z.B. bei der Stromversorgung von Satelliten im Weltall.
Es wurde bereits eine Energiequelle vorgeschlagen, die Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt, wobei die von wenigstens einem Thermo- Element erzeugte elektrische Energie wenigstens einem Peltier-Element zugeführt ist (deutsche Patentanmeldung P 37 35 410.8-33). Hierbei wird die von dem Peltier-Element erzeugte Temperatur wenigstens teilweise für die Erhöhung der Temperaturdifferenz am Thermo-Element herangezogen.
Es ist außerdem bekannt, den Wirkungsgrad photovoltaischer Zellen durch Schichtbauweise auf ca. 30% zu erhöhen (Sandia National Laboratories, DER SPIEGEL Nr. 38/1988 vom 19. September 1988, S. 252 bis 255). Die Wirkungsgraderhöhung wird mittels einer mechanisch geschichteten Vielfach­ kontakt-Photozelle erzielt, die nach dem Sandwich-Prinzip aufgebaut ist. Unter einer Deckhaut von flachen Kunststofflinsen, die das einfallende Sonnenlicht bündeln, liegt eine Schicht nahezu transparenten Galliumarsenids, das Sonnenlicht vom blauen Ende des Spektrums in Strom umwandelt; das längerwellige Licht dringt in die darunterliegende, aus Silizium bestehende Sonnenzellenschicht durch, die auf den restlichen Teil des Spektrums an­ spricht.
Nachteilig ist bei diesen bekannten Einrichtungen, daß die sehr langwellige Strahlung sowie die Konvektionswärme schlecht oder gar nicht in elek­ trische Energie umgewandelt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl Strahlungsenergie als auch Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
In der Figur ist eine sandwichartig aufgebaute Energiequelle 1 dargestellt, die aus zwei photovoltaischen Elementen 2, 3 und einem elektrisch und thermisch rückgekoppelten thermoelektrischen Element 4 besteht. Auf die Darstellung des einfachsten Falls, bei dem anstelle des Elements 4 ledig­ lich ein Thermoelement mit seiner warmen Lötstelle vorgesehen ist, wurde verzichtet.
Mit 5 ist eine Deckhaut von flachen Kunststofflinsen bezeichnet, unter der sich das erste photovoltaische Element 2 befindet, das beispielsweise aus nahezu transparentem Galliumarsenid besteht, das Sonnenlicht vom blauen Ende des Spektrums in Strom umwandelt und beispielsweise an eine Batterie 6 abgibt. Das Sonnenlicht, das noch alle Wellenlängen enthält, ist durch die Pfeile 7 dargestellt. Nachdem dieses Sonnenlicht das Element 2 durchlaufen hat, sind die kurzwelligen Wellenlängen in elektrische Ener­ gie umgewandelt und deshalb im gefilterten Licht 8 nicht mehr vorhanden. Dieses gefilterte Licht wird nun auf das zweite photovoltaische Element 3 gegeben, das z.B. aus einem Material besteht, welches das längerwellige Licht 8 in elektrische Energie umwandelt und diese ebenfalls an die Batterie 6 abgibt. Dieses Material kann z.B. aus Silizium bestehen, das aber noch einen Teil von sehr langwelligem Licht 9 durchläßt, das sodann auf das thermoelektrische Element 4 fällt.
Bei einer vereinfachten Version kann auch direkt unter dem photovolta­ ischen Element 2 ein thermoelektrisches Element 4 vorgesehen sein, und wenn dieses Element 4 noch vereinfacht wird, d.h. nur aus einem Thermo­ element besteht, so setzt sich die elektrische Energiequelle aus dem photo­ voltaischen Element 2 und einem Thermoelement zusammen, wobei die "warme" Lötstelle des Thermoelements mit langwelligem Licht beaufschlagt wird. Diese Lötstelle kann geschwärzt sein, damit keinerlei Lichtreflexionen erfolgen.
Im Beispiel der Figur ist das thermoelektrische Element 4 eine thermisch und elektrisch rückgekoppelte Kombination aus Peltier-Element und Seebeck-Element, wie es z.B. in der Patentanmeldung P 37 35 410.8 be­ schrieben ist.
Ein Thermoelement 10 speist mit seiner Ausgangsspannung U Th ein Peltier-Element 11 und bewirkt dadurch, daß sich die Temperaturdifferenz beim Peltier-Element 11 vergrößert. Da jedoch die Temperaturdifferenz beim Thermoelement 10 durch die Einstrahlung des Lichts 9 nicht sehr groß ist, ist die vom Thermoelement 10 erzeugte Spannung U Th nicht sehr groß, wodurch sich auch keine großen Temperaturdifferenzen am Peltier- Element 11 ergeben.
Bei der Anordnung gemäß der Figur sind die warmen Platten 12, 13 des Peltier-Elements 10 nach oben geklappt, so daß sie auf der warmen Platte 14 des Thermoelements 10 aufliegen. Die kalte Platte 15 des Peltier-Ele­ ments 11 ist vergrößert, damit die Schenkel 16, 17 das Thermoelement 10 umgreifen können.
Die kalten Platten 18, 19 des Thermoelements 10 sind mit der kalten Platte 15 des Peltier-Elements 11 und die warme Platte 14 des Thermo­ elements 10 mit den warmen Platten 12, 13 des Peltier-Elements 11 thermisch gekoppelt. Die von dem Thermoelement 10 erzeugte Spannung U Th liegt sowohl an den Platten 12, 13 des Peltier-Elements 11 als auch an der Batterie 6 an.
Zwischen den einzelnen Platten 12, 13, 14; 18, 19, 15 sind thermisch gut leitende elektrische lsolatoren 20 bis 23 vorgesehen. Außerdem ist der untere Bereich der Anordnung gegen den oberen Bereich thermisch isoliert, beispielsweise durch eine Ummantelung 24 aus Styropor. Hierdurch ist es möglich, die Temperaturdifferenz zu erhöhen. In entsprechender Weise könnte auch der obere Teil des Elements 4 isoliert werden und der untere Teil frei bleiben.
Die thermische Energie, die in elektrische Energie umgewandelt wird, wird aus der Umgebungsluft abgesogen und/oder in Form von langwelliger Strah­ lung auf die Platten 12, 13, 14 aufgebracht.

Claims (12)

1. Energiequelle mit einem photovoltaischen Element, das einen Teil des auftreffenden Lichts in elektrische Energie umwandelt und einen Teil dieses Lichts durchläßt, dadurch gekennzeichnet, daß der durchgelassene Teil des Lichts einem Thermoelement zugeführt wird, das wenigstens einen Teil des auf das Thermoelement auftreffenden Lichts in elektrische Energie um­ wandelt.
2. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem photovoltaischen Element und von dem Thermoelement erzeugten elektri­ schen Spannungen parallelgeschaltet sind.
3. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem photovoltaischen Element durchgelassene Teil des Lichts auf diejenige Stelle des Thermoelements trifft, welche der höheren Temperatur bei einem nach dem Seebeck-Effekt arbeitenden Thermoelement entspricht.
4. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste photovoltaische Schicht (2) vorgesehen ist, die Licht vom blauen Ende des Spektrums in Strom umwandelt und die aus nahezu transparentem Gallium­ arsenid besteht, und daß dieser ersten photovoltaischen Schicht (2) eine zweite photovoltaische Schicht (3) nachgeschaltet ist, die aus Silizium besteht und längerwelliges Licht in elektrischen Strom umwandelt.
5. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten photovoltaischen Schicht eine lichtsammelnde Vorrichtung (5) vorge­ schaltet ist.
6. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer photovoltaischen Schicht (2 und/oder 3) erzeugte elektrische Spannung einem Peltier-Element (11) zugeführt ist, das mit einem Thermo-Element (10) thermisch gekoppelt ist.
7. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer photovoltaischen Schicht (2 und/oder 3) erzeugte elektrische Spannung einem Peltier-Element (11) zugeführt ist, das mit einem Thermo-Element (10) elektrisch gekoppelt ist.
8. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer photovoltaischen Schicht (2 und/oder 3) erzeugte Spannung einem Peltier-Element (11) zugeführt ist, das mit einem Thermo-Element (10) thermisch und elektrisch gekoppelt ist.
9. Energiequelle nach einem oder mehreren der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Thermo-Element (10) erzeugte elektrische Energie wenigstens einem Peltier-Element (11) zuge­ führt ist, wobei die von dem Peltier-Element (11) erzeugte Temperatur­ differenz wenigstens teilweise für die Erhöhung der Temperaturdifferenz am Thermo-Element (11) herangezogen wird.
10. Energiequelle nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die unter einem photovoltaischen Element (2 und/oder 3) angeordnete thermoelektrische Vorrichtung (z. B. 4) auf ihrer Oberfläche geschwärzt ist.
11. Energiequelle nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Peltier-Element (11) erzeugte Kälte für die Kühlung der photovoltaischen Elemente (2, 3) verwendet wird.
12. Energiequelle nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die photovoltaischen Elemente (2, 3) und das thermoelektrische Element (4) sandwichartig zusammen­ gepackt sind.
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