DE102006023616A1 - Anordnung und Verfahren zur Energiegewinnung aus der Sonnenstrahlung - Google Patents

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Abstract

System zur Gewinnung von Sonnenenergie durch Nutzung des thermoelektrischen Effekts unter gleichzeitiger Speicherung der verbleibenden Restwärme zur weiteren Nutzung bzw. zur Abgabe an die Umgebung unter erneuter Nutzung des thermoelektrischen Effekts.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Nutzung der Sonnenenergie.
  • Zur Gewinnung der Strahlungsenergie der Sonne sind aktuell zwei Prinzipen in Gebrauch. Dies ist zum Einen der Sonnenkollektor (Gewinnung thermischer Energie), bei dem die Sonnenstrahlung an schwarzen Flächen absorbiert, an ein flüssiges Transportmittel mit hoher Wärmekapazität (bevorzugt: Wasser) übertragen und in einem Pufferspeicher in Form von warmem bzw. heißen Wasser bis zur weiteren Verwendung gespeichert wird. Das andere gebräuchliche Prinzip ist die Photovoltaik (Gewinnung elektrischer Energie), bei der die Strahlung der Sonne eine Ladungstrennung in einem Halbleitermaterial bewirkt. Die durch diese Ladungstrennung, den „photoelektrischen Effekt" gewonnene elektrische Energie wird in Akkumulatoren gespeichert oder über Wechselrichter direkt in das Stromnetz eingespeist. Den genannten Prinzipien ist gemeinsam, dass sie nur bei Sonneneinstrahlung wirksam sind.
  • Bekannt ist auch der thermoelektrische Effekt. Dieses auch als Seebeck Effekt bekannte Phänomen beschreibt, dass Temperaturunterschiede aufgrund der unterschiedlichen Energieniveaus in verschiedenen Metallen oder Halbleitern eine Ladungstrennung bewirken können, die als Thermospannung messbar sind. Der thermoelektrische Effekt lässt sich auch umkehren, dergestalt dass ein elektrischer Strom durch ein thermoelektrisches Element einen Temperaturunterschied hervorruft.
  • Technisch verwertet wird der thermoelektrische Effekt zur Temperaturmessung mittels sog. Thermoelemente. Die Umkehrung des Effekts, bei der ein elektrischer Strom eine Temperaturdifferenz hervorruft, wird technisch als Wärmepumpe genutzt und trägt nach ihrem Erfinder den Namen Peltier-Effekt. Obwohl als Wärmepumpe konzipiert und technisch als Kühlelement genutzt, können diese Peltier-Elemente jedoch auch so genutzt werden, dass sie aus einer Temperaturdifferenz einen elektrischen Strom erzeugen.
  • Die eingangs beschriebenen Techniken zur Gewinnung von Sonnenenergie haben eine Reihe von Nachteilen. Zunächst einmal liegt es in der Natur der Sache, dass es Solarkollektoren nicht möglich ist Energie zu erzeugen, wenn keine Sonneneinstrahlung zu verzeichnen ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass einfallende Sonnenstrahlung nur solange ausgenutzt werden kann, solange die Flüssigkeit im Pufferspeicher (in der Regel Wasser) noch nicht auf seine maximale Temperatur aufgeheizt ist. In Zeiten, in denen kein Warmwasserverbrauch erfolgt (z.B. weil die Bewohner des Hauses verreist sind) und der Speicher vollständig mit Wärmeenergie aufgeladen ist, kann keine weitere Sonnenenergie gespeichert werden, denn das umlaufende Wasser, das den Kollektor aufgeheizt verlässt, kehrt vom vollständig mit heißem Wasser gefüllten Pufferspeicher mit einer genau so hohen Temperatur zurück. Die Sonnenenergie kann in dieser Situation nicht genutzt werden.
  • Auch Systeme der Photovoltaik weisen den Nachteil auf, dass Energiegewinnung nur in Zeiten mit Sonneneinstrahlung möglich ist und nachts keine Energie gewonnen werden kann. Ein spezifischer Nachteil photovoltaischer Systeme ist zudem, dass der Wirkungsgrad der Solarzellen sich bei hohen Temperaturen verschlechtert. Dies beruht darauf dass das Isolationsverhalten von Halbleitern mit steigender Temperatur schlechter wird. Der sinkende Innenwiderstand der Solarzelle ist also für die Energieausbeute schädlich.
  • Gerade aus dem zuletzt genannten Grund wird in jüngster Zeit auch von verschiedener Seite darüber nachgedacht, Solarkollektoren mit Sonnenzellen zu kombinieren. So werden Systeme geschaffen, die sowohl elektrische Energie gewinnen (Photovoltaik) als auch Wärme erzeugen (Sonnenkollektor). Die Systeme wirken dabei günstig zusammen, denn die Wärmesenke, die der Sonnenkollektor darstellt, wirkt sich günstig auf den Wirkungsgrad der Solarzelle aus, die bei niedrigeren Temperaturen eine bessere Solarstromausbeute liefert.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anordnung sowie ein verbessertes Verfahren zur Nutzung der Sonnenenergie bereitzustellen, wobei diese Anordnung und dieses Verfahren sich insbesondere durch eine höhere Energieausbeute und die Möglichkeit eine flexibleren Anpassung an unterschiedliche Witterungsbedingungen und Bedarfssituationen auszeichnen sollen.
  • Diese Aufgabe wird in ihrem Vorrichtungsaspekt durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ihrem Verfahrensaspekt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegendstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung schließt den wesentlichen Gedanken der Nutzung von thermoelektrischen Wandlern zur Umwandlung von Sonnenenergie in Wärmeenergie ein. Sie schließt weiter den Gedanken ein, diese – also solche bekannten – Wandlerelemente für diesen Zweck in geeigneter Weise auszugestalten. Auch das vorgeschlagene Verfahren fußt auf diesen Überlegungen.
  • Wie in 1 gezeigt ist, heizt die Sonne (1) dabei mittels ihrer Strahlung (2) die „heiße" Seite (3) eines Peltier-Elements (4) auf. Die „heiße" Seite (3) ist geschwärzt, damit eine möglichst weit gehende Absorption der Strahlung erreicht wird. Beim Durchtritt des Wärmestroms durch das Peltier-Element (4) wird elektrische Energie erzeugt, die ähnlich wie bei einer Solarzelle mit Hilfe einer Lade-Wechselrichter-Elektronik (7) in einem Akkumulator (6) gespeichert, unmittelbar vor Ort genutzt oder in das Stromnetz (8) eingespeist werden kann.
  • Um die Gewinnung elektrischer Energie aufrecht zu erhalten, muss verhindert werden, dass sich die „kalte Seite" des Peltier-Elements (4) aufheizt; denn damit verringert sich die Temperaturdifferenz und mit ihr im Zusammenhang stehend auch der elektrische Strom, der erzeugt wird. Aus diesem Grund wird die der Sonne abgewandte „kalte Seite" des Peltier-Elements mit einer „Wärmesenke" (5) verbunden, die in 1 nur schematisch dargestellt ist, da hierfür verschiedene technische Ausführungen denkbar sind.
  • Wie in 2 dargestellt ist, kann diese Wärmesenke im einfachsten Fall nur aus einem Lamellenkühlkörper (5a) bestehen, der die durch das Peltier-Element (4) geflossene Wärmeenergie, die auf der „heißen Seite" (3) absorbiert wurde, an die Umgebungsluft abführt. Durch diese Technik geht zwar Wärmeenergie verloren, jedoch kann diese technische Ausführung sinnvoll sein, wenn keine Möglichkeit zur weiteren Nutzung der Wärme gegeben ist. Beispiele hierfür sind Fahrzeuge oder Schiffe mit dunkel lackierten Oberflächen (Autodach, Motorhaube, Schiffsdeck), die bekanntlich im Sommer sehr heiß werden und bei denen auf diese Art und Weise elektrische Energie gewonnen werden kann.
  • 3 zeigt eine technisch wesentlich bessere Variante, in der der Wärmestrom aus dem Peltier-Element (4) dazu benutzt wird, um ein Speicherreservoir (5b) aufzuheizen. Dies Speicherreservoir ist vorzugsweise ein Stoff, der eine große Wärmemenge aufzunehmen vermag. Hierfür in Frage kommen Stoffe mit hoher Wärmekapazität (wie z.B. Wasser) aber auch Stoffe, die eine reversible Phasenumwandlung oder Lösung/Auskristallisation oder thermisch initiierte chemische Reaktion durchmachen und dabei eine große Menge an Wärme aufnehmen, bzw. wieder angeben können. Stoffe dieser Art sind zum Beispiel Kerzenwachs und Stearin. Wie in 3 gezeigt ist, soll die Wärme einerseits vom Peltier-Element abgeführt werden, damit dieses mit einer hohen Temperaturdifferenz arbeiten und möglichst viel elektrische Energie gewinnen kann. Andererseits soll die Wärme jedoch nicht in die Umwelt entweichen, sondern in geeigneter Form gespeichert werden. Daher ist das Wärmereservoir bevorzugt durch eine Isolierung (in der Abbildung nicht gezeichnet) gut gegen Wärmeverluste zu isolieren.
  • Die Speicherung der Wärme kann aus unterschiedlichen Gründen sehr vorteilhaft sein. Beispielsweise wird die Anordnung nach 3 die gespeicherte Wärmeenergie des Wärmereservoirs (5a) in den Stunden ohne Sonneneinstrahlung wieder in die Kühle der Nacht entlassen, wobei diese beim Passieren des Peltier-Elements (4) erneut einen elektrischen Strom erzeugt. Bei fehlender Sonneneinstrahlung wechseln nun „heiße" und „kalte" Seite des Peltier-Elements ihre Position. Damit ist die dem Wärmereservoir zugewandte Seite des Peltier-Elements nun zur „heißen Seite" geworden, während die dem Himmel zugewandte Seite als „kalte Seite" fungiert. Mit der Umkehrung der Richtung des Wärmestroms kehrt sich selbstverständlich auch die Richtung des elektrischen Stroms um, den das Peltier-Element erzeugt, doch kann durch einen Gleichrichter (vorzugsweise Brückengleichrichter aus Shottky-Dioden mit niedriger Schwellenspannung) dafür gesorgt werden, dass die Speisung des Akkus bzw. des Wechselrichters polaritätsrichtig erfolgt. Nutzt man die Erfindung entsprechend der Ausführung nach 3 mit einem direkt hinter dem Peltier-Element (4) angeordneten Wärmereservoir (5b), das beispielsweise ein hochschmelzendes Wachs enthält, so kann dieses tagsüber unter Aufnahme einer hohen Energiemenge geschmolzene Wachs, seine gespeicherte Energie in der Nacht wieder abgeben. So entsteht ein „Thermoelektrischer Sonnenkollektor", der nicht nur am Tage, sondern auch in der Nacht Strom zu erzeugen vermag!
  • In Verbindung mit einem größeren Warmwasserspeicher, wie er auch beim rein thermischen Sonnenkollektor angewandt wird, kann man entscheiden, die Wärme ganz oder teilweise als Wärmeenergie zu behalten (z.B. für ein Duschbad am Morgen) oder sie in der Nacht unter Gewinnung (thermo-)elektrischer Energie über die Peltier-Elemente abzugeben. Wie 4 zeigt, ist hier das mit einer Kreislaufflüssigkeit gefüllte Wärmereservoir (5c) mit einem Warmwasserspeicher (9) verbunden. Eine Pumpe (10) lädt den Wasserspeicher (9) mit Warmwasser aus dem Wärmereservoir (5c) auf. In der gezeigten Anordnung (4) verbessert die nächtliche Energieabgabe automatisch den thermischen Kollektoreffekt, denn das Kühlmittel hat am nächsten Morgen eine geringere Temperatur und kann wieder höhere Wärmemengen aufnehmen. Gerade in Zeiten, in denen keine Wärme abgenommen wird (z.B. bei Urlaubsreisen der Hausbewohner) ist der Wirkungsgrad rein thermischer Solarkollektoren nämlich schlecht, da das Kühlmittel bereits zu Beginn des Tages eine hohe Temperatur aufweist und kaum noch Wärme aufnehmen kann. In dieser Zeit ist es besonders sinnvoll, die Wärme unter erneuter Gewinnung thermoelektrischer Energie in der Nacht an die Umgebung abzugeben.
  • In den bisher gezeigten Anordnungen erfolgt die mit einer Stromerzeugung verbundene Aufnahme von Wärme in das Reservoir und die – ebenfalls unter Stromerzeugung stattfindende – Wärmeabgabe am Tag bzw. in der Nacht, also niemals gleichzeitig. Dies kann man ändern durch die Anordnung nach 5, bei der zwei Peltier-Elemente gleichzeitig arbeiten, von denen eines (4) mit seiner Kollektorfläche (3) die Sonnenstrahlung (2) empfängt, während das andere (11) eine Fläche zur Wärmeabstrahlung (2a) aufweist. Auf diese Weise finden die Prozesse der Aufnahme von Energie und der Abgabe der Wärmeenergie gleichzeitig statt.
  • Eine weitere, besonders vorteilhafte Anordnung zeigt 6. Hier ist auf das Peltier-Element (4) eine Solarzelle (3a) aufgebracht, die ihrerseits elektrische Energie gewinnt und in die Lade- und Wechselrichterelektronik (7) einspeist. Von hier aus erfolgt die Speicherung in einem Akku (6) bzw. die Einleitung in das Stromnetz (8).
  • Es sind noch zahlreiche andere Anordnungen denkbar, z.B. solche, die eine „heatpipe" zum Transport der Wärmeenergie benutzen. Hier erfolgt die Wärmeaufnahme durch Verdampfen einer Flüssigkeit, während an anderer Stelle die Wärme durch Kondensation des so gebildeten Dampfes zurückgewonnen wird.

Claims (15)

  1. Anordnung zur Nutzung der Sonnenenergie, die ein thermoelektrisches Wandlerelement mit einer strahlungsabsorbierenden Oberfläche in Kombination mit einer Kühleinrichtung und/oder einem photoelektrischen Wandlerelement und/oder einer Solarkollektoreinrichtung aufweist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer dem Sonnenlicht zugewandten Oberfläche eine Solarzellenanordnung und, bezogen auf die Strahlungsrichtung, hinter und im thermischen Kontakt mit dieser eine thermoelektrischen Wandleranordnung vorgesehen ist.
  3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer dem Sonnenlicht zugewandten Oberfläche eine Solarkollektoranordnung und, bezogen auf die Strahlungsrichtung, hinter und im thermischen Kontakt mit dieser eine thermoelektrische Wandleranordnung angeordnet ist.
  4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer dem Sonnenlicht zugewandten Oberfläche eine Solarzellenanordnung und, bezogen auf die Strahlungsrichtung, hinter und in thermischen Kontakt mit dieser eine Solarkollektoranordnung sowie, ebenfalls bezogen auf die Strahlungsrichtung, hinter und im thermischen Kontakt mit letzterer eine thermoelektronische Wandleranordnung angeordnet ist.
  5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen im thermischen Kontakt mit dem thermoelektrischen Wandlerelement bzw. der thermoelektrischen Wandleranordnung stehenden Wärmespeicher.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher, bezogen auf die Strahlungsrichtung, hinter der thermoelektrischen Wandleranordnung angeordnet ist.
  7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher ein Flüssigkeitsreservoir aufweist.
  8. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4 und einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher durch die Solarkollektoranordnung gebildet ist.
  9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher einen Phasenumwandlungs- oder chemischen Wärmespeicher aufweist.
  10. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Wärmetransporteinrichtung, insbesondere vom Typ der "Heatpipe", zum Abtransport von Wärmeenergie vom thermoelektrischen Wandlerelement bzw. der thermoelektrischen Wandleranordnung.
  11. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsabsorbierende Oberfläche des oder jedes thermoelektrischen Wandlerelementes geschwärzt, insbesondere als anodisierte Aluminiumoberfläche, ausgebildet ist.
  12. Verfahren zur Energiegewinnung aus der Sonnenstrahlung, wobei eine strahlungabsorbierende Oberfläche eines thermoelektrischen Wandlerelements direkt oder indirekt der Sonnenstrahlung ausgesetzt und eine Rückseitenfläche des thermoelektrischen Wandlerelements aktiv oder passiv gekühlt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass während der Sonneneinstrahlung zur Kühlung Wärme in eine Solarkolletoranordnung oder einen Wärmespeicher übertragen wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Abwesenheit von oder bei schwacher Sonneneinstrahlung Wärme aus der Solarkollektoranordnung bzw. dem Wärmespeicher zur thermoelektrischen Energiewandlung genutzt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Energiewandlung mit einer photoelektrischen Energiewandlung verknüpft ausgeführt wird.
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