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WO2007056985A2 - Solarkollektor mit wärmekraftmaschine - Google Patents

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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the present invention relates to a solar collector with photovoltaic and thermally usable solar cells, which is equipped with at least one concentrating reflector.
  • Such photovoltaic modules are used for the direct conversion of solar radiation into electrical energy or heat.
  • the spectrum of electromagnetic radiation emitted by the sun can be used only to a small extent for conversion into electricity because the sensitivity of the voltaically acting solar cells is given only in the range of about 350 to 900 nm.
  • the energy of the UV radiation lying below 350nm and the infrared radiation lying above 900nm causes the warming of the cells.
  • At temperatures around -20 0 C their efficiency is highest and from 80 ° C so low that the power production is no longer worthwhile.
  • the cells can be destroyed and these sizes are highly dependent on the type of solar cell. This problem is drastically worsened when the solar cells are operated with concentrated light.
  • concentration factor above 10 on a clear summer's day, it only takes a few minutes to reach a destructive temperature. These cells must be cooled.
  • the heat is either attempted to be dissipated via large heat sinks or to connect the solar cells or their carrier to a heat sink through which a coolant flows. It is also known to flow around the solar cells of a cooling medium to improve the heat transfer with a variety of problems in terms of corrosion and short circuit resistance occur and for the operation of the coolant circulation pump a considerable part of the electrical energy produced by the cells must be spent.
  • the object of the invention is to provide a method which is simple and inexpensive to produce and improves the efficiency of solar collectors equipped with it.
  • the decoupling of the photovoltaically usable radiation is preferably effected by means of partially transmissive spectral filter, which additionally leads to the advantageous effect that the photovoltaic cells remain relatively cool and the thermal radiation by means of optically active aids such as lenses, mirrors, reflectors, etc. on the solar thermal cells can be concentrated.
  • Another method to keep unwanted heat radiation from the solar cells is the spectral filtering of the incident radiation by means of a transparent coolant which wets or surrounds the cells at least in the irradiated area, converts the non-photovoltaic usable radiation into heat and transported in a heat exchanger cooled at least partially by evaporative cooling becomes .
  • the cooling medium is neither water nor water-like, for example monopropylene glycol or tripropylene glycol, this must be conducted in a closed container or circuit. If water is used as a filter and heat exchanger liquid, it can be fed to open evaporative heat load.
  • the heat transfer fluid evaporated in the solar thermal cells must be condensed after work has been completed.
  • This process takes place according to the invention predominantly in containers which can be cooled by open evaporation and which are preferably formed and / or carried at least in part by the collectors and / or solar cells or their supports.
  • the heat extraction by open evaporation is several times greater than by convection or radiation.
  • the usable cooling area is also increased at the same time. Since the sensitive surface of the solar cells or the reflective side of the concentrators are aligned with the sun, their back, which is in the shade, can be used as an evaporation surface or carrier of an evaporation device.
  • the medium to be evaporated is water, preferably in the form of rainwater and / or tap water. This can evaporative substances, such as surfactants are added.
  • the water is preferably supplied via the capillary action of the porous materials which are immersed in the liquid in the
  • a gutter, tub or similar collecting vessel is stored, which is preferably arranged below or / and above the evaporation devices. Additionally or alternatively, the evaporation devices can be sprayed with water, which is supplied to them by a pump or from the pipeline network with pressure. In order to increase the evaporation capacity, the evaporation area of highly porous
  • Fig. 1 shows a cross section through a solar collector according to the invention.
  • the solar radiation 5 is directed by the reflector 6 onto the beam splitter 4, which disengages the thermally usable frequencies 8 in the UV and infrared range and directs them to the .5 thermally active solar cell 9, which evaporates directly or indirectly the heat carrier of the heat engine 7.
  • the photovoltaically usable radiation 3 is converted into electricity by the solar cell 2, which is connected to a cooler 1.
  • the reflector 6 connected to the heat engine 7 by means of the casing 12 is used as a condenser whose cooling capacity is favored by coating 11 having i ⁇ porous and / or large surfaces and preferably having a dark color and which has a slightly evaporating liquid Water, wetted, is enlarged.
  • the cooler can be connected by means of the casing 12 with the cooling chamber 10 of the reflector 6.

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Abstract

Verfahren zur Energiegewinnung aus konzentrierter solarer Strahlung mittels photovoltaischer und thermisch nutzbarer Solarzellen in denen die absorbierte Wärmestrahlung ein Fluid verdampft das eine mit einem Generator verbundene Turbine antreibt.

Description

(Solarkollektor mit Wärmekraftmaschine)
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Solarkollektor mit photovoltaischen und thermisch nutzbaren Solarzellen , der mit mindestens einem konzentrierenden Reflektor ausgestattet ist .
Solche Photovoltaikmodule dienen der direkten Umwandlung von solarer Strahlung in elektrische Energie bzw. Wärme .
Das von der Sonne abgestrahlte Spektrum elektromagnetischer Strahlung kann nur zu einem geringen Teil zur Wandlung in Elektrizität genutzt werden weil die Empfindlichkeit der voltaisch wirkenden Solarzellen nur im Bereich von etwa 350 - 900nm gegeben ist . Die Energie der unter 350nm liegenden UV-Strahlung und der über 900nm liegenden Infrarotstrahlung bewirkt die Erwärmung der Zellen . Bei Temperaturen um -200C ist deren Wirkungsgrad am höchsten und ab 80°C so nieder daß sich die Stromproduktion nicht mehr lohnt . Bei noch höheren Temperaturen können die Zellen zerstört werden wobei diese Größen stark vom jeweiligen Solarzellentyp abhängig sind . Dieses Problem verschärft sich drastisch wenn die Solarzellen mit konzentriertem Licht betrieben werden . Bei einem Konzentrationsfaktor über 10 reichen an einem klaren Sommertag schon wenige Minuten um zerstörend wirkende Temperatur zu erreichen. Diese Zellen müssen gekühlt werden .
Nach dem Stand der Technik wird versucht die Wärme entweder über großflächige Kühlkörper abzuleiten oder die Solarzellen bzw. ihren Träger mit einem Kühlkörper zu verbinden der von einem Kühlmittel durchströmt wird . Es ist auch bekannt die Solarzellen von einem Kühlmedium umströmen zu lassen um die Wärmeübertragung zu verbessern wobei vielfältige Probleme bezüglich Korrosions- und Kurzschlußfestigkeit auftreten und für den Betrieb der Kühlmittelumwälzpumpe ein nicht unerheblicher Teil der von den Zellen produzierten elektrischen Energie aufgewendet werden muss.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren aufzuzeigen das einfach und preiswert herstellbar ist und den Wirkungsgrad damit ausgerüsteter Solarkollektoren verbessert .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Anspruch 1 gelöst . Weitere ausgestaltende Merkmale sind in den Ansprüchen 2 und 3 und den Unteransprüchen beschrieben . Durch die vorliegende Erfindung ist die effektive , kombinierte Nutzung der globalen Sonnenstrahlung mittels photovoltaischer Solarzellen und solarthermisch angetriebener Wärmekraftmaschinen möglich . Die spektrale Trennung der gesammelten Strahlung erfolgt vorzugsweise aber nicht ausschließlich so , daß die flachen photovoltaischen Zellen möglichst gleichmäßig mit dem von ihnen nutzbaren Spektrum und die solarthermischen Zellen linienförmig mit dem ausgekoppelten Strahlungsanteil bestrahlt werden . Je stärker die Konzentration der thermischen Strahlung und entsprechend schmal die thermisch bestrahlte Fläche ist, um so höher ist die erreichbare Temperatur und dieser proportional der Wirkungs- grad der nachgeordneten Wärmekraftmaschine . Die Auskopplung der photovoltaisch nutzbaren Strahlung wird vorzugsweise mittels teildurchlässigem Spektralfilter bewirkt , was zusätzlich zu dem vorteilhaften Effekt führt , daß die photovoltaischen Zellen relativ kühl bleiben und die thermische Strahlung mittels optisch wirksamer Hilfsmittel wie beispielsweise Linsen , Spiegel , Reflektoren , etc. auf die solarthermischen Zellen kon- zentriert werden können .
Eine andere Methode unerwünschte Wärmestrahlung von den Solarzellen fernzuhalten ist die spektrale Filterung der auftreffenden Strahlung mittels eines transparenten Kühlmittels das die Zellen zumindest im bestrahlten Bereich benetzt oder umspült ,die nicht photovoltaisch nutzbare Strahlung in Wärme wandelt und in einen Wärmetauscher transportiert der zumindest teilweise durch Verdunstungskälte gekühlt wird . Ist das Kühlmedium weder Wasser noch wasserähnlich , beispielsweise Monopropylenglykol oder Tripropylenglykol muß dieses in einem geschlossenen Behälter oder Kreislauf geführt werden . Wird Wasser als Filter- und Wärmetauscherflüssigkeit verwendet , kann es wärmebelastet offener Verdunstung zugeführt werden . Das in den solarthermischen Zellen verdampfte Wärmeträgerfluid muß nach geleisteter Arbeit kondensiert werden . Dieser Vorgang findet erfindungsgemäß überwiegend in durch offene Verdunstung kühlbaren Behältnissen statt , die vorzugsweise zumindest zum Teil von den Kollektoren und/oder Solarzellen bzw. deren Träger gebildet und/oder getragen werden . Der Wärmeentzug durch offene Verdunstung ist um ein mehrfaches größer als durch Konvektion oder Strahlung .
Wird die Reflektorfläche vergrößert um den Konzentrationsfaktor zu erhöhen wird auch gleichzeitig die nutzbare Kühlfläche vergrößert . Da die sensitive Oberfläche der Solarzellen bzw. die reflektierende Seite der Konzentratoren zur Sonne ausgerichtet sind , kann ihre Rückseite , die im Schatten liegt , als Verdunstungsfläche oder Träger einer Verdunstungseinrichtung genutzt werden . Das zu verdunstende Medium ist Wasser , vorzugsweise in Form von Regenwasser oder/und Leitungswasser . Diesem können verdunstungsgegünstigende Substanzen , beispielsweise Tenside beigemischt werden . Die Wasserzufuhr erfolgt bevorzugt über die Kapillarwirkung der porösen Materialien die dazu in die Flüssigkeit eintauchen die in
5 einer Rinne , Wanne oder ähnlichem Sammelgefäß gespeichert ist , das bevorzugt unterhalb oder/und oberhalb der Verdunstungseinrichtungen angeordnet ist . Zusätzlich oder alternativ können die Verdunstungseinrichtungen mit Wasser besprüht werden , das ihnen von einer Pumpe oder aus dem Leitungsnetz mit Druck zugeführt wird . Um die Verdunstungsleistung zu erhöhen kann die Verdunstungsfläche von hochporö-
10 sem Material das eine große Oberfläche aufweist gebildet werden . Besonders geeignet sind Filze , Vliese , Fasermatten , Schäume aus organischen oder/und anorganischen Stoffen , vorzugsweise Metallschäume , gebrannte Tonwaren , Sinterelemente , Keramikplatten und dergleichen . Werden Verdunster mit wenigen cm Abstand zueinander parallel oder leicht konisch
15 gestaffelt montiert , entsteht ein Kamineffekt der die Kühlwirkung verstärkt . Bei liegender Anordnung von Modulen auf geneigter Fläche ist es vorteilhaft wenn eine Hinterlüftung vorhanden ist .
Nachfolgend wird die Erfindung an schematisierten Ausführungsbeispielen näher er- 20 läutert . Es zeigen :
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Solarkollektor .
Die solare Strahlung 5 wird vom Reflektor 6 auf den Strahlteiler 4 gelenkt , der die thermisch nutzbaren Frequenzen 8 im UV- und Infrarotbereich auskuppelt und auf die .5 thermisch wirksame Solarzelle 9 lenkt , die direkt oder indirekt den Wärmeträger der Wärmekraftmaschine 7 verdampft . Die photovoltaisch nutzbare Strahlung 3 wird von der Solarzelle 2 , die mit einem Kühler 1 verbunden ist in Elektrizität gewandelt . Der mit der Wärmekraftmaschine 7 mittels der Verrohrung 12 verbundene Reflektor 6 wird als - Kondensator genutzt , dessen Kühlleistung durch auf seiner Rückseite angebrachte , iθ poröse und/oder große Oberflächen und vorzugsweise dunkle Farbe aufweisende Be- schichtung 11 , die mit leicht verdunstender Flüssigkeit , bevorzugt Wasser , benetzt ist, vergrößert ist . Der Kühler kann mittels der Verrohrung 12 mit der Kühlkammer 10 des Reflektors 6 verbunden werden .

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Energiegewinnung aus konzentrierter solarer Strahlung mittels photovoltaischer und thermisch nutzbarer Solarzellen in denen die absorbierte 5 Strahlung ein Wärmeträgerfluid verdampft das eine mit einem Generator verbundene Turbine antreibt mit dem elektrische Energie gewonnen wird , dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlung des Solarkollektors durch offene Verdunstung von Wasser bewirkt wird .
.o
2. Verfahren zur Energiegewinnung aus konzentrierter solarer Strahlung mittels photovoltaischer und thermisch nutzbarer Solarzellen in denen die absorbierte Strahlung ein Wärmeträgerfluid verdampft das eine mit einem Generator verbundene Turbine antreibt mit dem elektrische Energie gewonnen wird , dadurch gekennzeichnet , daß die Kondensation des Wärmeträgerfluides durch offene Ver-
[5 dunstung von Wasser bewirkt wird .
3. Verfahren zur Energiegewinnung aus konzentrierter solarer Strahlung mittels photovoltaischer und thermisch nutzbarer Solarzellen in denen die absorbierte
; Strahlung ein Wärmeträgerfluid verdampft das eine mit einem Generator verbun-
.0 dene Turbine antreibt mit dem elektrische Energie gewonnen wird , dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlung des Solarkollektors durch offene Verdunstung von Wasser auf der Schattenseite zumindest des Reflektors bewirkt wird .
4. Verfahren zur Energiegewinnung aus konzentrierter solarer Strahlung mittels 25 photovoltaischer und thermisch nutzbarer Solarzellen in denen die absorbierte
Strahlung ein Wärmeträgerfluid verdampft das eine mit einem Generator verbundene Turbine antreibt mit dem elektrische Energie gewonnen wird , dadurch gekennzeichnet , daß die Kondensation des Wärmeträgerfluides durch offene Verdunstung von Wasser auf der Schattenseite zumindest des Reflektors bewirkt 30 wird .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlwirkung durch offene Verdunstung von Wasser in porösem Material bewirkt wird . 5
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlwirkung durch offene Verdunstung von Wasser in porösem Material auf der Schattenseite des Solarkollektors und/oder Konzentrators bewirkt wird .
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlwirkung durch offene Verdunstung von Wasser in porösem Material bewirkt wird .
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlwasser die voltaisch wirksame Solarzelle zuerst auf der bestrahlten Seite benetzt und dann der Verdunstungsfläche zugeleitet wird .
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeich- net , daß das Kühlwasser zuerst die voltaisch wirksame Solarzelle umspült und dann der Verdunstungsfläche zugeleitet wird .
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß durch Spektralfilter voltaisch wenig oder unwirksame Strahlung von der voltaisch wirksamen Solarzelle ferngehalten wird um die Wärmebelastung zu reduzieren .
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlwasser durch Druck zugeführt wird .
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlwasser durch Kapillarwirkung transportiert wird .
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeich- net , daß der Kühlwasserbehälter ein sich selbst füllender Regenwasserbehälter ist .
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlung mindestens zweistufig aufgebaut ist und aus einem vor- zugsweise geschlossenen Primärkreislauf und offener Verdunstung besteht .
15. Verfahren nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlmedium im Primärkreislauf kein Wasser oder wasserähnliche Substanz ist .
16. Verfahren nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlmedium im Primärkreislauf mit Spektralfilterfunktionen ausgestattet ist .
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