DE10151072C2 - Sonnenkollektor mit thermoelektrischem Generator - Google Patents

Sonnenkollektor mit thermoelektrischem Generator

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Description

Die vorgeschlagene Lösung betrifft eine Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie.
Sie beruht auf dem bekannten Seebeck-Effekt. Dieser beinhaltet, dass bei Kontakt zweier unterschiedlicher Metalle oder Halbleiter in der Berührungsschicht wegen der unterschied­ lichen Austrittsarbeit der Elektronen eine Kontaktspannung entsteht, welche temperatur­ abhängig ist. Werden nun die beiden Enden von zwei unterschiedlichen Metall- oder Halbleiterstäben miteinander verbunden und dann die Verbindungsstellen auf unterschiedliche Temperatur gebracht, entsteht eine Thermospannung und im Leiterkreis fließt ein Thermostrom. Der Leiterkreis stellt ein Thermoelement dar. Die Größe der Thermospannung nimmt mit steigender Temperaturdifferenz zwischen den Verbindungsstellen zu und hängt von der verwendeten Metall- bzw. Halbleiterkombination (Thermopaar) ab. Für Temperaturen bis 800°C wird z. B. die Kombination Eisen/Konstantan verwendet.
Bei den bisher bekannten thermoelektrischen Sonnenkollektoren, welche auf dem Seebeck- Effekt basieren, sind die zu erwärmenden Verbindungsstellen der Thermoelemente zum Teil punkt­ förmig ausgeführt, sie befinden sich meist nicht unter Vakuum oder sie werden nicht direkt von der Solarstrahlung erwärmt. Der Wirkungsgrad solcher Anlagen kann deshalb nur sehr gering sein. Sie haben folglich keine breite Anwendung, wie etwa die Photovoltaic-Anlagen oder die Sonnenkollektoren zur Wassererwärmung, gefunden.
Solche Anlagen könnten auf Hausdächern montiert werden und gerade in den schwachent­ wickelten Regionen mit vielen Sonnentagen einen großen Teil der benötigten elektrischen Energie erbringen. Der Vorteil gegenüber den Sonnenkollektoren zur Brauchwassererwär­ mung oder Heizung besteht natürlich in der viel flexibleren Nutzbarkeit der elektrischen Energie. In einer bekannt gewordenen Lösung (DE 195 19 978 A1) wird ein thermoelektrischer Sonnenkollektor beschrieben, bei dem die Thermogeneratoren zwischen einem die Wärme umwandelnden Absorber und einem die Wärme abführenden Medium plaziert sind. Zur Steigerung des Wirkungsgrades wird dabei die gesamte Einheit in einem Gehäuse untergebracht, welches evakuiert werden kann. Bei einer anderen bekannten Lösung (DE 195 31 752 A1) wird die elektrische Energie aus thermischer Energie dadurch erzeugt, dass Peltierelemente im Bereich von Gewässern zwischen zwei auf unterschiedlichem Temperaturniveau gehaltenen Seiten angeordnet sind. Eine weitere Lösung (DE 198 33 178 A1) befaßt sich mit der Produktionstechnik für thermoelektrische Energiewandlerplatten. Hierbei werden auf P- und N-Glasplatten effektivitätsverstärkende Schichten aufgebracht, um thermoelektrisch hocheffiziente P- und N-Platten herzustellen. In der DE 28 06 337 A1 ist eine Thermosäule zur Erzeugung von elektrischer Energie aus thermischer Energie beschrieben. Die Thermosäule ist als Plattenkollektor ausgeführt Die Thermoelemente bestehen dabei aus Paaren von nebeneinander angeordneten kurzen Drähten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in einer verbesserten praktischen Lösung des Problems der Gewinnung von elektrischer aus Solarenergie unter Nutzung des Seebeck-Effektes durch Überwindung der Nachteile der bisher bekannten Anlagen, wobei der Wirkungsgrad wesentlich erhöht werden soll. Die Lösung soll für kleine und große Anlagen nutzbar sein. Die Konstruktion wird so gestaltet, dass der Aufbau mittels vorgefertigter Baugruppen oder Bauteilen erfolgen kann.
Erfindungsgemäß erfolgt die Anordnung der durch Solarenergie zu erwärmenden Verbindungsstellen der Thermoelemente in einem Vakuum in Verbindung mit der konstruktiven Ausführung der Thermoelemente gemäß Anspruch 1.
Im Inneren eines plattenförmigen Sonnenkollektors besteht Vakuum. Die zu erwärmenden Verbindungsstellen sind hier auf der Innenseite der Rückwand des Kollektors angeordnet. Diese Rückwand, im folgenden als Platine bezeichnet, sollte aus wärmeisolierendem, hitzebeständigem Material bestehen. Die Vorderseite des Kollektors bildet eine lichtdurchlässige Abdeckung. Bei Bestrahlung durch Sonnenlicht erwärmen sich die so angeordneten Verbindungsstellen, der Wärmetransport nach außen ist aber durch das Vakuum weitgehend unterbunden.
Durch Schwärzung der Verbindungsstellen wird die Absorption des Sonnenlichtes verstärkt. Eine weitere Verstärkung ist dadurch möglich, dass die Verbindungsstellen flächig ausgeführt werden. Die beiden unterschiedlichen Metalle oder Halbleiter werden als dünne Bleche oder Plättchen miteinander verlötet, zusammengepresst oder mit leitfähigem Kleber verbunden. Denkbar ist auch eine Ausführung mittels Schichttechnologie.
Außen auf der Platine sind die zu kühlenden Verbindungsstellen der Thermoelemente angebracht. Auch diese werden flächig ausgeführt, hier aber um die Kühlung durch die Umgebung zu verstärken.
Die Verbindung von jeweils einer innen bzw. außen liegenden Verbindungsstelle zu einem Thermoelement erfolgt durch Drähte, Stecker und in der Platine eingelassene passende Buchsen. Drähte, Stecker und Buchsen besitzen dabei einen Querschnitt, der gering im Vergleich zur Oberfläche der Verbindungsstellen ist. Dadurch wird ein Wärmetransport zwischen den außen und innen liegenden Lötstellen möglichst gering gehalten. Konstruktiv günstig ist es, die Metalle oder Halbleiter des Thermopaares als Steckelemente auszuführen, bei denen die jeweiligen Bleche über Drähte mit separaten Steckern verbunden sind. Die Steckelemente sind gleichartig für die zu erwärmenden und zu kühlenden Verbindungsstellen ausgeführt. Jeweils ein auf der Innenseite der Platine und ein von außen in die gleichen Buchsen gestecktes Steckelement bilden dann ein Thermoelement.
Durch mäanderartige Reihenschaltung der Steckelemente wird eine Aufsummierung der Thermospannungen erreicht. Die totale Thermospannung kann über zwei Buchsen des Kollektors außen abgenommen werden.
Bezugszeichenliste
1
Sonneneinstrahlung
2
lichtdurchlässige Abdeckung
3
evakuierter Raum
4
Platine
5
Steckelemente
6
Thermopaar
7
Stecker
8
Buchsen
9
Rahmen
10
Kontakte, an denen Thermospannung
11
abgegriffen wird

Claims (6)

1. Sonnenkollektor mit thermoelektrischem Generator, wobei der Raum (3) zwischen einer lichtdurchlässigen Abdeckung (2) als Vorderwand des Kollektors und einer Platine (4) als seiner Rückwand evakuiert ist, wobei die zu erwärmenden Verbindungsstellen zwischen den unterschiedlichen Materialien (6) in Reihe geschalteter Thermoelemente auf der Innenseite und die zu kühlenden Verbindungsstellen auf der Außenseite der Platine (4) angeordnet sind, wobei die verbundenen thermoelektrischen Materialien jeweils als zwei übereinander liegende Metall- oder Halbleiter-Plättchen ausgebildet sind, wobei an dem ersten Plättchen ein erster Stecker (7) direkt und an dem zweiten Plättchen ein zweiter Stecker (7) über einen Leiterdraht angeordnet ist, so dass auf der Innen- und der Außenseite der Platine (4) gleichartige Steckelemente (5) vorliegen, deren erste und zweite Stecker (7) so in Buchsen (8), die in die Platine (4) eingelassen sind, eingeführt sind, dass alternierend auf der Innen- und Außenseite der Platine (4) angeordnete Steckelemente (5) in Reihe geschaltet sind.
2. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Plättchen durch Löten, Schweißen, Sintern, Verpressen oder Kleben verbunden sind.
3. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Plättchen und die Platine (4) in Schichttechnologie ausgebildet sind.
4. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Steckelemente (5) mäanderartig in Reihe geschaltet sind.
5. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die auf der Innenseite der Platine (4) angeordneten Steckelemente (5) geschwärzt sind.
6. Sonnenkollektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die lichtdurchlässige Abdeckung (2) halbzylinder- oder halbkugelförmig gekrümmt ist.
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