DE102010019782A1

DE102010019782A1 - Anordnung zur Energiegewinnung aus der Sonnenstrahlung

Info

Publication number: DE102010019782A1
Application number: DE102010019782A
Authority: DE
Original assignee: GANS ROLF; KOGLIN MATTHIAS
Current assignee: GANS ROLF; KOGLIN MATTHIAS
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2010-05-06
Publication date: 2010-12-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Energiegewinnung aus Sonnenstrahlung, die wenigstens eine elektrisch und/oder thermisch mit wenigstens einem Peltier-Element (6) und wenigstens einem Absorber (22) gekoppelte Solarzelle (4) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Energiegewinnung aus der Sonnenstrahlung.
Es ist bekannt, die im Sonnenlicht enthaltene Sonnenenergie mit Hilfe thermischer Sonnenkollektoren oder Solarkollektoren einzufangen. Funktional-zentraler Bestandteil des Solarkollektors ist ein Solarabsorber, der die Lichtenergie der Sonne in Wärme umwandelt und diese an einen ihn durchfließenden Wärmeträger abgibt, der die Wärme aus dem Solarkollektor abführt und zu einer Nutzeinrichtung, bspw. einem Wärmespeicher, transportiert. Solarkollektoren sind bezüglich ihres Wirkungsgrades stark von der aktuellen Sonneneinstrahlung abhängig.
Es ist ferner bekannt, die im Sonnenlicht enthaltene Strahlungsenergie mit Hilfe von Solarzellen oder photovoltaischer Zellen direkt in elektrische Energie bzw. in elektrischen Strom umzuwandeln. Diese opto-elektrische Energiewandlung hat den Nachteil, dass sie ebenfalls stark von der aktuellen Lichteinstrahlung abhängt. Nachteilig ist auch, dass ein Teil der durch die zugeführte Sonnenenergie erzeugten freien Ladungsträger rekombiniert und in Wärme verlorengeht, die zu einer Erwärmung der Solarzelle führt.
Aus der GB 2321338 A ist eine Anordnung bestehend aus einer Solarzelle und einem thermoelektrischen Peltier-Element bekannt. Die beiden Elemente sind durch eine Schicht getrennt, die wärmeleitend ist, aber elektrisch isolierend wirkt. Das Peltier-Element ist thermisch verbunden mit einem Wärmetauscher. Die Ausgangssignale beider Ein richtungen sind elektrisch miteinander verbunden. Eine Linse dient dazu Sonnenlicht auf die Solarzelle zu konzentrieren. Die in der Solarzelle erzeugte Temperatur erzeugt eine Temperaturdifferenz, welche ein elektrisches Ausgangssignal des Peltier-Elementes bewirkt.
Aus der JP 04-046900 A (Abstract) ist eine Einrichtung bestehend aus einer Solarzelle und einem thermoelektrischen Peltier-Element bekannt, wobei eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die den erzeugten Wärmestrom so steuert, dass eine Erhöhung der Temperatur bei Sonnenlichteinstrahlung vermieden wird, die Stromerzeugung der Solarzelle sinkt mit ansteigender Erwärmung der Zelle. Das Peltier-Element wird zur Kühlung der Solarzelle verwendet, indem die der kalten Seite entzogene Wärme plus der erzeugten elektrischen Energie an die Umgebung abgegeben wird.
Aus der DE 10 2006 014 414 A1 ist ein Solarmodul mit einer aktiven Vorder- und einer passiven Rückseite bekannt. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Solarmoduls ist an der passiven Rückseite mindestens ein als Thermogenerator betriebenes Thermoelement angeordnet. Das Thermoelement funktioniert wie eine Wärmesenke, die die eingestrahlte und über die passive Rückseite von dem Solarmodul abgegebene Wärmeenergie abführt. Um den Wärmeübergang zwischen dem Solarmodul und dem Thermoelement zu verbessern, ist zwischen dem Solarmodul und dem Thermoelement eine wärmeleitende Schicht angeordnet.
Durch die DE 10 2008 009 477 A1 ist eine solarthermische, thermoelektrische Stromerzeugungseinrichtung bekannt. Diese Einrichtung weist einen durch Sonneneinstrahlung erhitzbaren Absorber auf, der zumindest teilweise innerhalb eines evakuierbaren Gehäuses angebracht ist. Weiterhin weist die Stromerzeugungseinrichtung einen ther moelektrischen Generator zur Erzeugung eines elektrischen Stroms auf, wobei der Generator jeweils großflächig an einander gegenüberliegenden Seitenflächen mit dem Absorber und einem von einem Arbeitsmedium durchströmbaren Wärmetauscher thermisch verbunden ist.
Aus der DE 10 2007 055 462 A1 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Regelung einer Fotovoltaik-Anlage bekannt. Mindestens eine Solarzelle ist thermisch gekoppelt mit mindestens einem Peltier-Element. Das Peltier-Element wird zur Kühlung oder Beheizung der Solarzelle verwendet. Es ist ein Temperatursensor vorgesehen, der die Temperatur der Solarzelle ermittelt und bei Überschreiten einer oberen Grenztemperatur eine Betätigung der Kühlung der Solarzelle durch das Peltier-Element durch das Anlegen einer Spannung aktiviert.
Sämtliche bekannten Anordnungen und Verfahren nutzen die Energie aus der Sonnenstrahlung nicht optimal und sind auch nicht Variabel und flexibel einsetzbar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass die Energiegewinnung aus der Sonnenstrahlung und deren Umsetzung optimiert werden und die Anordnung variabel und flexibel einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Aufgabenlösung werden in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung schlägt vor, die an sich bekannte Peltier-Technologie in Verbindung mit der Solarzellentechnologie und der Ab sorbertechnologie einzusetzen, indem die wenigstens eine Solarzelle mit dem wenigstens einen Peltier-Element und dem wenigstens einen Absorber sowohl elektrisch als auch thermisch so koppelbar sind, dass die Energiegewinnung aus der Sonnenstrahlung und deren Umsetzung optimiert werden. Die erfindungsgemäße Anordnung ist variabel und flexibel einsetzbar, derart, dass die erfindungsgemäße Anordnung an die jeweiligen Verhältnisse und gesteckten Ziele unter optimaler Nutzung der Energie aus der Sonnenstrahlung angepasst werden kann.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert werden.
Die Zeichnung zeigt eine Anordnung 2 zur Energiegewinnung aus Sonnenstrahlung 3, bestehend aus wenigstens einer Solarzelle 4, wenigstens einem Peltier-Element 6 sowie wenigstens einem Verbraucher 8, dem die aus der Sonnenstrahlung gewonnene Energie in Form von Wärme und/oder elektrischem Strom zuführbar ist. Nachfolgend werden der Einfachheit halber die Solarzellen, die Peltier-Elemente und die Verbraucher sowie die Absorber in der Einzahl genannt.
Die dem Sonnenlicht ausgesetzte Solarzelle 4 wandelt wenigstens einen Teil der durch die Sonneneinstrahlung zugeführten Energie in elektrischen Strom um. Dieser elektrische Strom kann direkt einem Verbraucher 10 zugeführt werden oder kann in einem Akkumulator 12 zwischengespeichert oder mit einem netzgeführten Wechselrichter 14 in ein Stromnetz 16 eingespeist werden. Der nicht in elektrischen Strom umgewandelte Teil der zugeführten Energie führt, wie oben bereits erwähnt, zu einer Erwärmung der Solarzelle.
Der Solarzelle 4 ist erfindungsgemäß ein Peltier-Element 6 oder ein Absorber 22 nachgeschaltet, das/der in thermischem Kontakt mit der Solarzelle steht und wenigstens einen Teil der Wärme aus der Solarzelle abzieht, die durch die Sonneneinstrahlung und/oder die Rekombination von Teilen der Ladungsträger in der Solarzelle bzw. den nicht in elektrischen Strom umgewandelten Teil der zugeführten Sonnenenergie entsteht. Durch die durch das Abziehen der Wärme bewirkte Kühlung der Solarzelle 4 wird die Erzeugung von elektrischem Strom durch die Solarzelle optimiert. Die Kühlung der Solarzelle 4 ist insofern von Bedeutung, als eine kühle Solarzelle mehr elektrischen Strom erzeugt als eine warme Solarzelle. Das Peltier-Element 6 gibt die über die mit der Solarzelle thermisch in Kontakt stehende Seite aus der Solarzelle 4 abgezogene Wärme über die gegenüberliegende Seite an einen Absorber 22 wieder ab, wobei die abgezogene Wärme zur Erwärmung von flüssigen oder gasförmigen Medien, bspw. Wasser, genutzt werden kann.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, die Solarzelle 4 anders als bisher üblich nicht nur mit Wasser zu kühlen, sondern die Wärme mit Hilfe wenigstens eines Peltier-Elementes 6 und/oder eines Absorbers 22 aus der Solarzelle 4 abzuziehen und diese abgezogene Wärme wieder abzugeben, um bspw. Wasser zu erhitzen und das so erwärmte Wasser bspw. zum Duschen, Waschen, Geschirrspülen, etc. direkt zu nutzen. Die abgegebene Wärme kann aber auch einem Warmwasserspeicher 18 zugeführt werden. Hierzu steht die der Solarzelle abgewandte Seite des Peltier-Elementes 6 und/oder der Absorber 22 in thermischem Kontakt mit einer von einer Wärme aufnehmenden Flüssigkeit durchströmten Einrichtung.
Vorzugsweise wird an das Peltier-Element 6 eine elektrische Steuer-Gleichspannung U bzw. ein elektrischer Steuerstrom als Eingangsenergie angelegt, die in Wärme umgewandelt wird und zu einer Erhöhung der Temperatur der aus der Solarzelle 4 abgezogenen und über das Peltierelement abgegebenen Wärme führt. Das Peltier-Element arbeitet dabei nach Art einer Wärmepumpe. Die abgegebene Wärme kann dann wie oben schon beschrieben genutzt werden.
Die elektrische Steuerspannung U bzw. der elektrische Steuerstrom für das Peltier-Element 6 kann aus dem durch die Solarzelle 4 erzeugten Strom abgezweigt werden. Der Strom, welcher nicht vom Peltier-Element 6 von der Solarzelle 4 abgezogen wird, kann zum Betreiben von elektrischen Geräten genutzt werden und/oder in einem Akkumulator gespeichert werden und/oder in das öffentliche Netz eingespeist werden.
Durch die beschriebene Anordnung wird auf dem Grundsatz einer Solarzelle, eines Peltier-Elements und eines Absorbers nicht nur Strom, sondern auch aus kalter Flüssigkeit, bspw. kaltem Wasser, umgewandelte warme Flüssigkeit, bspw. Wasser, gewonnen, wobei als Energiequelle die Energie der Sonnenstrahlung dient und auch für die Erwärmung der Flüssigkeit, bspw. des Wassers, kein zusätzlicher elektrischer Strom erforderlich ist. Anstelle von Flüssigkeit, bspw. Wasser, kann auch Gas erwärmt werden.
Um den Wärmeübergang zwischen der Solarzelle 4 und der nachgeschalteten Einrichtung, insbesondere dem Peltier Element 6 zu optimieren, ist zwischen der Solarzelle und der Einrichtung eine wärmeleitende Schicht (nicht dargestellt) angeordnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- GB 2321338 A [0004]
- JP 04-046900 A [0005]
- DE 102006014414 A1 [0006]
- DE 102008009477 A1 [0007]
- DE 102007055462 A1 [0008]

Claims

Anordnung zur Energiegewinnung aus Sonnenstrahlung mit – wenigstens einer mit Sonnenlicht bestrahlbaren Solarzelle (4), die das Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umwandelt, der direkt einem Verbraucher (10) zuführbar und/oder in einem Akkumulator (12) zwischenspeicherbar und/oder mit einem netzgeführten Wechselrichter (14) in ein Stromnetz (16) einspeisbar ist, und mit – wenigstens einem der Solarzelle (4) nachgeschalteten, mit der Solarzelle (4) in thermischem Kontakt stehenden Peltier-Element (6) und/oder mit einem der Solarzelle (4) nachgeschalteten, mit der Solarzelle (4) in thermischem Kontakt stehenden Absorber (22) zum Abziehen wenigstens eines Teils der durch die einfallende Sonnenlichtenergie zugeführten, nicht in elektrischen Strom umgewandelten Wärme und/oder der durch die Rekombination von Teilen der Ladungsträger in der Solarzelle (4) erzeugten Wärme – und/oder zum Anheben dieser Wärme auf ein höheres Temperaturniveau – und/oder zum Abgeben dieser Wärme an Verbraucher (8) – und/oder zum Übertragen dieser Wärme auf einen Absorber (22).
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in thermischem Kontakt mit der sonnenabgewandten Seite der Solarzelle (4) stehende Peltier-Element (6) die Wärme aus der Solarzelle zu deren Kühlung abzieht.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in thermischem Kontakt mit der sonnenabgewandten Seite der Solarzelle (4) stehende Absorber (22) die Wärme aus der Solarzelle zu deren Kühlung abzieht.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in das Peltier-Element (6) eine Steuerspannung oder ein Steuerstrom als elektrische Eingangsenergie einspeisbar ist, die einen eine Temperaturdifferenz erzeugenden Stromfluss im Peltier-Element bewirkt.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass von dem von der Solarzelle (4) erzeugten Strom ein Teil zur Speisung des Peltier-Elementes (6) abgezweigt ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Peltier-Element (6) erzeugte elektrische Strom in einem Akkumulator (12) gespeichert wird und/oder an einen Verbraucher direkt weitergegeben wird und/oder ins öffentliche Netz eingespeist wird.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Solarzellen (4) mit mehreren Peltier-Elementen (6) und mehreren Absorbern (22) in Kaskade geschaltet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der wenigstens einen Solarzelle (4) und dem wenigstens einen Absorber (22) mehrere Peltier-Elemente (6) in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Solarzelle (4) und der nachgeschalteten, mit der Solarzelle in thermischem Kontakt stehenden Einrichtung (6, 22) eine wärmeleitende Schicht angeordnet ist.