DE102011112395A1 - Radiant energy converter e.g. power converter for solar radiation, has deflecting unit for directing first portion of incoming radiation on absorber unit, and for converting second portion of radiation into electrical energy - Google Patents
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Abstract
Description
Generell betrifft die vorliegende Erfindung Systeme und Vorrichtungen zur Umwandlung von Strahlungsenergie, beispielsweise von solarer Strahlungsenergie, in eine andere Energieform, vorzugsweise zumindest teilweise in elektrische Energie.In general, the present invention relates to systems and devices for converting radiant energy, for example solar radiation energy, into another form of energy, preferably at least partially into electrical energy.
Durch die extreme Verteuerung fossiler Energieträger und insbesondere durch deren Begrenztheit werden zunehmend alternative Möglichkeiten ausgelotet, um Energie in kosteneffizienter und umweltverträglicher Weise zu erzeugen. Insbesondere nimmt zunehmend die Umwandlung von solarer Strahlungsenergie in andere geeignete Energieformen, insbesondere in elektrische Energie, einen bedeutsamen Platz in der Energieversorgung ein. Gegenwärtig werden viele Konzepte praktisch entwickelt oder auch bereits kommerziell eingesetzt, um solare Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Beispielsweise gibt es eine Vielzahl von solarthermischen Kraftwerken, in denen zunächst die Strahlungsenergie möglichst effizient in Wärme umgewandelt wird, die dann über geeignete Wärmeübertragungsmedien als Prozesswärme diversen Kreisprozessen zugeführt wird. Es werden dabei viele Arten der Wärmeerzeugung eingesetzt, in denen beispielsweise die solare Strahlung in konzentrierter Weise auf einen Absorber gelenkt wird, in welchem dann eine Aufheizung des Wärmeübertragungsmediums oder auch direkt eines Arbeitsmediums stattfindet. Durch die Konzentration der Solarstrahlung lassen sich dabei Temperaturen von über 1000°C erreichen, so dass der thermische Wirkungsgrad eines nachgeordneten Kreisprozesses entsprechend hoch sein kann, sofern die hohen Temperaturen mit den praktischen Gegebenheiten des vorgesehenen Kreisprozesses verträglich sind. Insbesondere werden zunehmend solarthermische Kraftwerke installiert, in denen Konzentratorflächen, etwa in Form von Parabolrinnen, et cetera zumindest einachsig der Sonne nachgeführt werden, um damit bei vertretbarem Aufwand eine effiziente Verdampfung eines Arbeitsmediums zu erreichen, das nachfolgend direkt über eine Turbine entspannt wird.The extreme increase in the cost of fossil fuels, and in particular their limited availability, is increasingly exploring alternative options for generating energy in a cost-efficient and environmentally sound manner. In particular, the conversion of solar radiation energy into other suitable forms of energy, in particular into electrical energy, is becoming increasingly important in the energy supply. At present, many concepts are being developed in practice or are already being used commercially to convert solar energy into electrical energy. For example, there are a large number of solar thermal power plants in which the radiant energy is first of all converted into heat as efficiently as possible, which is then fed via various heat transfer media as process heat to various cycle processes. There are many types of heat generation used in which, for example, the solar radiation is directed in a concentrated manner to an absorber, in which then takes place a heating of the heat transfer medium or directly a working medium. By concentrating the solar radiation, temperatures of over 1000 ° C can be reached, so that the thermal efficiency of a downstream cycle can be correspondingly high, provided that the high temperatures are compatible with the practical conditions of the proposed cycle. In particular, solar thermal power plants are increasingly being installed, in which concentrator surfaces, for example in the form of parabolic troughs, et cetera at least uniaxially track the sun so as to achieve an efficient evaporation of a working medium at a reasonable cost, which is subsequently relaxed directly via a turbine.
Des weiteren werden zunehmend auch große Kraftwerke mit Photovoltaikmodulen installiert, die somit eine direkte Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie ermöglichen, wobei jedoch im Gegensatz zu den solarthermischen Kraftwerken, die eine effiziente Speicherung von Prozesswärme ermöglichen, ein kontinuierlicher Betrieb zumindest unter ökonomischen Aspekten bislang nicht möglich ist. Ferner sind insbesondere zur Steigerung der Effizienz von Photovoltaikmodulen zum Teil aufwändige Herstellungsverfahren erforderlich, die einen ökonomischen Einsatz sowohl in kleinen lokalen Anlagen sowie auch in größeren Kraftwerken wenig aussichtsreich erscheinen lassen. Zwar gibt es viel versprechende Entwicklungen, etwa die Anwendung konzentrierter Solarstrahlung in Solarzellen, die mehrere gestapelte PN-Übergänge aufweisen, so dass die benötigte Halbleiterfläche insgesamt deutlich reduziert wird, jedoch sind die Ausgangsmaterialien und insbesondere die Herstellungsverfahren gegenwärtig und in der näheren Zukunft sehr aufwändig und damit kostenintensiv, so dass es fraglich ist, ob mit diesem zusätzlichen Aufwand insgesamt ein preiswertere Erzeugung von Strom möglich ist. Andererseits leidet die gut etablierte Halbleitertechnologie auf der Grundlage von Silizium, das in nahezu unbegrenzter Menge, zumindest theoretisch, verfügbar ist, an einem relativ geringen Wirkungsgrad, da in Silizium die optischen Eigenschaften und insbesondere die Bandlückenenergie nicht in beliebiger Weise eingestellt werden können. Bekanntlich hängt die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie in einem Halbleitermaterial davon ab, in welchem Grade Elektron/Lochpaare in der Nähe eines PN-Übergangs erzeugt, von dem in der Raumladungszone vorherrschenden elektrischen Feld getrennt und über geeignete Kontakte als elektrischer Strom zur Verfügung gestellt werden können.Furthermore, large power plants with photovoltaic modules are increasingly installed, thus allowing a direct conversion of radiant energy into electrical energy, but in contrast to the solar thermal power plants, which allow efficient storage of process heat, a continuous operation, at least from an economic point of view not possible is. Furthermore, in particular to increase the efficiency of photovoltaic modules, in some cases expensive production processes are required which make economical use appear less promising, both in small local plants and in larger power plants. While there are promising developments, such as the use of concentrated solar radiation in solar cells having multiple stacked PN junctions, the overall semiconductor surface area required is significantly reduced, however, the starting materials and, in particular, the manufacturing processes are present and very time-consuming in the near future thus costly, so that it is questionable whether with this additional effort overall a cheaper generation of electricity is possible. On the other hand, the well established semiconductor technology based on silicon, which is available in almost unlimited quantities, at least theoretically, suffers from a relatively low efficiency, since in silicon the optical properties and in particular the bandgap energy can not be adjusted in any way. As is known, the conversion of radiant energy into electrical energy in a semiconductor material depends on the extent to which electron / hole pairs are generated in the vicinity of a PN junction, separated from the electric field prevailing in the space charge zone, and provided as an electrical current via suitable contacts can.
Um ein Elektron/Lochpaar in einem Halbleiter zu erzeugen, ist es also erforderlich, dass die eintreffenden Photonen zumindest die Energie der Bandlücke aufweisen, so dass ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband angeregt werden kann. Bei kristallinem Silizium liegt die Bandlückenenergie bei etwa 1,1 eV, so dass Strahlung im nahen Infrarotbereich und darüber absorbiert werden kann. Andererseits führt die Absorption von Photonen mit einer deutlich größeren Energie zwar zur Erzeugung eines Elektron/Lochpaares, jedoch wird die überschüssige Energie an das Elektron übertragen, das dann im Gitter durch Streuung die zusätzliche Energie verliert, so dass ein wesentlicher Teil der Photonenenergie in Wärme umgesetzt wird.In order to generate an electron / hole pair in a semiconductor, it is therefore necessary for the arriving photons to have at least the energy of the band gap, so that an electron can be excited from the valence band into the conduction band. For crystalline silicon, the bandgap energy is about 1.1 eV, so that near infrared radiation and above can be absorbed. On the other hand, the absorption of photons with a much greater energy leads to the generation of an electron / hole pair, but the excess energy is transferred to the electron, which then loses the additional energy in the lattice through scattering, so that a significant portion of the photon energy is converted into heat becomes.
Aus diesem Grunde wird versucht, mehrere Halbleitermaterialien so vorzusehen, dass jeweils eine andere Bandlückenenergie die effiziente Absorption von einfallender Strahlung ermöglicht, ohne dass der wesentliche Anteil in Wärme umgesetzt wird. Derartige Solarzellen besitzen einen deutlich höheren Wirkungsgrad als übliche Siliziumsolarzellen, erfordern jedoch wesentlich höhere Kosten für die Bereitstellung der Materialien und den Prozess der Herstellung der mehreren übereinander angeordneten Halbleiterschichten.For this reason, it is attempted to provide a plurality of semiconductor materials in such a way that in each case a different bandgap energy enables the efficient absorption of incident radiation, without the substantial portion being converted into heat. Such solar cells have a significantly higher efficiency than conventional silicon solar cells, but require significantly higher costs for the provision of the materials and the process of producing the plurality of stacked semiconductor layers.
Im Hinblick auf die Verringerung der Kosten für Solarzellen werden auch sehr dünne Halbleiterschichten mit einer Dicke von wenigen Mikrometer bis zu mehreren 100 nm in Form amorpher oder mikro-kristalliner Schichten eingesetzt, die auf einem geeigneten Trägermaterial unter Anwendung kostengünstiger Verfahren aufgebracht werden. Beispielsweise kann amorphes Silizium sehr effizient auf großen Flächen aufgebracht werden, so dass aufgrund der deutlichen Kostenvorteile bei der Herstellung entsprechender Solarzellen der deutlich geringere Wirkungsgrad in Kauf genommen wird, insbesondere in Anwendungen, in denen die verfügbare Fläche für die Aufständerung der Solarmodule verfügbar ist. Daher werden insbesondere bei großen Solaranlagen bevorzugt amorphe Solarmodule verwendet. Jedoch ist auch in diesen Solarmodulen das Problem gegeben, dass unterschiedliche Wellenlängenbereiche der einfallenden Strahlung nur bedingt effizient in elektrische Energie umgewandelt werden können, da auch in diesem Falle eine aufwändige Anpassung und Bereitstellung mehrerer unterschiedlicher Bandlückenenergien erforderlich ist.With a view to reducing the cost of solar cells, very thin semiconductor layers as thin as a few microns to several hundreds of nanometers are used in the form of amorphous or microcrystalline layers deposited on a suitable substrate using low cost techniques. For example, amorphous silicon can be applied very efficiently over large areas, so that the significantly lower efficiency is accepted due to the significant cost advantages in the production of corresponding solar cells, in particular in applications in which the available area for the mounting of the solar modules is available. Therefore, amorphous solar modules are preferably used, especially in large solar systems. However, in these solar modules there is also the problem that different wavelength ranges of the incident radiation can be converted only to a limited extent into electrical energy, since a complex adaptation and provision of several different bandgap energies is required in this case.
Generell ist also häufig die Situation anzutreffen, dass eine möglichst effiziente Ausnutzung eines großen Wellenlängenbereichs zwar angestrebt wird in Anlagen zur Energiewandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie, die effiziente Umwandlung jedoch zum Teil mit großem technischen Aufwand verknüpft ist. In solarthermischen Anlagen kann zwar der überwiegende Teil des einfallenden Spektrums letztlich in Prozesswärme umgewandelt werden, dies erfordert jedoch erheblichen Aufwand im Hinblick auf die Wartung, den Aufbau und den Betrieb einer entsprechenden Anlage, wobei auch längere Standzeiten etwa bei Ausfall einer komplexen Einheit im Kreisprozess, beispielsweise in Form einer Turbine, und dergleichen auftreten, was zu einer deutlich reduzierten Rendite insbesondere in Verbindung mit den generell höheren Installationskosten führen kann. Andererseits bieten Photovoltaikanlagen den Vorteil geringerer Installationskosten, einer ausgeprägteren Modularität in Verbindung mit geringerem Wartungsaufwand, wobei jedoch eine Steigerung der Effizienz der einzelnen Solarzellen nur mit großem Aufwand erreichbar scheint.In general, therefore, the situation is often that the most efficient use of a large wavelength range is sought in systems for energy conversion of radiant energy into electrical energy, but the efficient conversion is sometimes associated with great technical effort. In solar thermal systems, although the vast majority of the incident spectrum can be ultimately converted into process heat, but this requires considerable effort in terms of maintenance, construction and operation of a corresponding system, with longer service life, for example in case of failure of a complex unit in the cycle, For example, in the form of a turbine, and the like occur, which can lead to a significantly reduced return, especially in connection with the generally higher installation costs. On the other hand, photovoltaic systems offer the advantage of lower installation costs, a more pronounced modularity in conjunction with lower maintenance, but an increase in the efficiency of the individual solar cells seems attainable only with great effort.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, um bei der Umwandlung von Strahlungsenergie in eine andere Energieform, insbesondere in elektrische Energie, unter Vermeidung oder Verringerung der zuvor dargelegten Probleme eine insgesamt höhere Effizienz und/oder geringere Installationskosten und/oder einen höheren Grad an Flexibilität beim Betrieb zu erreichen.It is therefore an object of the present invention to provide means for the conversion of radiant energy into another form of energy, in particular electrical energy, while avoiding or reducing the problems outlined above, an overall higher efficiency and / or lower installation costs and / or higher Degree of flexibility in operation.
Erfindungsgemäß wird in einem Aspekt der Erfindung die zuvor genannte Aufgabe gelöst durch einen Strahlungsenergiewandler. Der Strahlungsenergiewandler umfasst eine Absorbereinheit und eine Deflektoreinheit, die ausgebildet ist, elektrische Energie aus einem ersten Teil auf die Deflektoreineit einfallender Strahlungsenergie zu erzeugen und einen zweiten Teil der einfallenden Strahlungsenergie durch Reflexion auf die Absorbereinheit zu lenken.According to the invention, in one aspect of the invention, the aforementioned object is achieved by a radiation energy converter. The radiant energy converter comprises an absorber unit and a deflector unit which is designed to generate electrical energy from a first part onto the deflectors of incident radiant energy and to direct a second part of the incident radiant energy to the absorber unit by reflection.
Der Strahlungsenergiewandler der vorliegenden Erfindung ermöglicht also eine effiziente Aufteilung der einfallenden Strahlung durch die Deflektoreinheit, die räumlich getrennt von der Absorbereineit angeordnet ist, so dass bereits ein Teil dieser Strahlung in der Deflektoreinheit in elektrische Energie umgewandelt wird, wodurch schon in der Deflektoreinheit eine geeignete Anpassung, beispielsweise in Form von Halbleitermaterialien und deren Bandlückenenergien, und dergleichen, an einen Teil des einfallenden Spektrums stattfinden kann, ohne dass der zweite Teil der einfallenden Strahlung wesentlich beeinflusst wird und damit für eine weitere Prozessierung in der Absorbereinheit zur Verfügung steht. Beispielsweise kann die Deflektoreinheit eine oder mehrere geeignete Materialschichten aufweisen, die zur Konversion von Strahlungsenergie eines eingeschränkten Wellenlängenbereichs verwendbar sind, jedoch entsprechende Reflexionseigenschaften oder Durchlasseigenschaften besitzen, so dass der zweite Teil der einfallenden Strahlung durch weitere Materialschichten, beispielsweise blanke Metallschichten, in der optischen Dicke angepasste dielektrische Schichten, und dergleichen, auf die Absorbereinheit gelenkt wird. Die Absorbereinheit kann dabei wiederum in geeigneter Weise an die eintreffende Strahlung angepasst sein, so dass sich beispielsweise gegenüber konventionellen Photovoltaikanlagen ein höherer Wirkungsgrad ergibt, ohne dass jedoch aufwändige Halbleitermaterialien erforderlich sind.The radiation energy converter of the present invention thus enables an efficient division of the incident radiation through the deflector unit, which is arranged spatially separated from the absorber unit, so that already a part of this radiation is converted into electrical energy in the deflector unit, whereby a suitable adaptation already in the deflector unit For example, in the form of semiconductor materials and their bandgap energies, and the like, may be to a portion of the incident spectrum without significantly affecting the second portion of the incident radiation and thus being available for further processing in the absorber unit. For example, the deflector unit may comprise one or more suitable material layers usable for conversion of radiation energy of a restricted wavelength range but having corresponding reflection properties or transmission properties such that the second portion of the incident radiation is matched in optical thickness by further material layers, for example bare metal layers dielectric layers, and the like, is directed to the absorber unit. The absorber unit can in turn be adapted in a suitable manner to the incoming radiation, so that, for example, compared to conventional photovoltaic systems results in a higher efficiency, but without elaborate semiconductor materials are required.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Deflektoreinheit einen photovoltaisch aktiven Bereich auf. D. h., zumindest ein großer Teil der optisch aktiven Fläche der Deflektoreinheit kann als photovoltaisch aktiver Bereich genutzt werden, wobei eine geeignete Anpassung an den gewünschten Wellenlängenbereich zu einer relativ hohen Effizienz des photovoltaisch aktiven Bereichs führt, während die restliche Strahlung oder zumindest ein großer Teil davon effizient auf die Absorbereinheit gelenkt wird. Wenn beispielsweise eine Reflexion des zweiten Teils der einfallenden Strahlung im Wesentlichen an einer Rückseite des photovoltaisch aktiven Bereichs erfolgt, wird dieser vorzugsweise so eingestellt, dass seine Empfindlichkeit im unteren Wellenlängenbereich der einfallenden Strahlung liegt, so dass keine übermäßige Erzeugung von Abwärme aufgrund der Absorption von Photonen mit kurzer Wellenlänge stattfindet.In an advantageous embodiment, the deflector unit has a photovoltaically active region. D. h., At least a large part of the optically active surface of the deflector unit can be used as a photovoltaic active region, with a suitable adaptation to the desired wavelength range leads to a relatively high efficiency of the photovoltaic active area, while the remaining radiation or at least a large Part of it is efficiently directed to the absorber unit. For example, if reflection of the second portion of the incident radiation occurs substantially at a backside of the photovoltaic active region, it is preferably adjusted so that its sensitivity is in the lower wavelength region of the incident radiation, so that excessive generation of waste heat due to absorption of photons takes place with a short wavelength.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der photovoltaisch aktive Bereich eine Halbleiterschicht mit einer Dicke von 10 μm oder weniger auf, die über einer Metallfläche der Deflektoreinheit ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform wird also der photovoltaisch aktive Bereich in Form einer sehr dünnen Halbleiterschicht vorgesehen, so dass insbesondere effiziente Herstellungsverfahren, etwa in Form von chemischer Dampfabscheidung (CVD), oder anderen Verfahren, beispielsweise durch Aufrollen, angewendet werden können, die eine großflächige Aufbringung ermöglichen, wobei andererseits der Materialverbrauch gering ist. Beispielsweise gibt es effiziente Verfahren zum Herstellen von Silizium auf großflächigen Trägermaterialien, wobei auch die in amorphem Silizium einstellbare Bandlückenenergie bzw. Beweglichkeitslücke eine Absorption insbesondere im sichtbaren Bereich des Spektrums ermöglicht und die untere Grenzwellenlänge deutlich kleiner ist im Vergleich zu beispielsweise kristallinem Silizium. Daher kann die Absorption des Anteils mit kleineren Wellenlängen bewerkstelligt werden, ohne dass eine hohe Verlustleistung durch Wärme in dem photovoltaisch aktiven Bereich entsteht. In anderen Ausführungsformen kann die dünne Halbleiterschicht auch aus Verbindungshalbleitern aufgebaut werden, um einen gewünschten Wellenlängenbereich effizient zu absorbieren, wobei insbesondere die Zusammensetzung der Verbindungshalbleiter eine genaue Einstellung der Bandlückenenergie ermöglicht.In an advantageous embodiment, the photovoltaically active region has a semiconductor layer with a thickness of 10 μm or less, which is formed over a metal surface of the deflector unit. In this embodiment, therefore, the photovoltaically active region is provided in the form of a very thin semiconductor layer, so that in particular efficient production processes, such as in the form of chemical vapor deposition (CVD), or Other methods, for example by rolling, can be applied, which allow a large area application, on the other hand, the material consumption is low. For example, there are efficient methods for producing silicon on large-area carrier materials, wherein the bandgap energy or mobility gap that can be set in amorphous silicon also enables absorption, in particular in the visible region of the spectrum, and the lower limit wavelength is significantly smaller compared to, for example, crystalline silicon. Therefore, the absorption of the smaller wavelength portion can be accomplished without high heat dissipation in the photovoltaic active area. In other embodiments, the thin semiconductor layer may also be constructed of compound semiconductors to efficiently absorb a desired wavelength range, in particular, the composition of the compound semiconductors enabling accurate adjustment of bandgap energy.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Absorbereinheit einen zweiten photovoltaisch aktiven Bereich auf. Auf diese Weise kann das einfallende Spektrum in geeigneter Weise aufgeteilt werden, so dass in der Absorbereinheit ebenfalls eine effiziente Anpassung des verwendeten photovoltaisch aktiven Materials erfolgen kann. Dabei sind vorteilhafter Weise die Deflektoreinheit und die Absorbereinheit räumlich ausreichend getrennt, so dass beispielsweise die Verlustleistung in der Deflektoreinheit bei der Konversion von Strahlungsenergie in elektrische Energie den zweiten photovoltaisch aktiven Bereich in der Absorbereinheit nicht beeinflusst.In a further advantageous embodiment, the absorber unit has a second photovoltaically active region. In this way, the incident spectrum can be divided in a suitable manner, so that an efficient adaptation of the photovoltaically active material used can also take place in the absorber unit. In this case, the deflector unit and the absorber unit are advantageously sufficiently separated spatially so that, for example, the power loss in the deflector unit during the conversion of radiant energy into electrical energy does not affect the second photovoltaically active region in the absorber unit.
In einer bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich eine untere Grenzfrequenz für die Konversion von einfallender Strahlung in elektrische Energie in dem zweiten photovoltaisch aktiven Bereich von der unteren Grenzfrequenz des photovoltaisch aktiven Bereichs in der Deflektoreinheit. D. h., diese Grenzfrequenzen sind unterschiedlich, so dass insgesamt durch beide photovoltaisch aktiven Bereiche ein größerer Bereich des einfallenden Spektrums effizienter abgedeckt werden kann. Beispielsweise sind in der Deflektoreinheit geeignete Materialien so vorgesehen, dass ein Anteil mit kleineren Wellenlängen effizient absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt wird, während ein Bereich mit größeren Wellenlängen, beispielsweise rotes Licht, naher Infrarotbereich, ferner Infrarotbereich, auf die Absorbereinheit gelenkt wird, wobei dort die untere Grenzfrequenz vorteilhafter Weise so ausgewählt ist, dass Licht im nahen Infrarotbereich und im roten Bereich effizient absorbiert wird.In a preferred embodiment, a lower limit frequency for the conversion of incident radiation into electrical energy in the second photovoltaically active region differs from the lower limit frequency of the photovoltaic active region in the deflector unit. That is, these cut-off frequencies are different so that a larger area of the incident spectrum can be more efficiently covered by both photovoltaically active areas. For example, in the deflector unit, suitable materials are provided so that a smaller wavelength fraction is efficiently absorbed and converted into electrical energy, while a larger wavelength region, for example, red light, near infrared, far infrared, is directed to the absorber unit the lower limit frequency is advantageously selected so that light in the near infrared region and in the red region is efficiently absorbed.
Beispielsweise kann für diese Zwecke Siliziummaterial verwendet werden, etwa in kristalliner oder polykristalliner Form, da etwa kristallines Siliziummaterial seine untere Grenzfrequenz im nahen Infrarotbereich besitzt, so dass dieser Anteil effizient konvertiert werden kann, wobei jedoch der fehlende Bereich mit kleineren Wellenlängen nunmehr nicht zu der Erzeugung einer hohen Verlustleistung beitragen kann. Selbstverständlich können auch photovoltaisch aktive Bereiche mit mehreren unterschiedlichen Grenzfrequenzen eingesetzt werden, so dass die Breite des Bereichs der effizient absorbierten Wellenlängen vergrößert wird. In anderen Ausführungsformen wird etwa der Bereich mit kleineren Wellenlängen effizient von der Deflektoreinheit abgelenkt, während der langwellige Bereich absorbiert wird, so dass auch in diesem Falle eine gezielte Anpassung in der Absorbereinheit möglich ist, wobei jedoch durch die Aufteilung des einfallenden Spektrums in zumindest zwei Teilbereiche dazu führt, dass die Komplexität in jedem der photovoltaisch aktiven Bereiche reduziert werden kann, so dass insgesamt die Herstellungskosten deutlich geringer sind im Vergleich zu aufwändigen Solarzellen mit mehreren PN-Übergängen.For example, silicon material may be used for these purposes, such as in crystalline or polycrystalline form, because about crystalline silicon material has its lower cut-off frequency in the near infrared region, so that this fraction can be efficiently converted, but now the lack of smaller wavelengths does not produce it can contribute to a high power loss. Of course, photovoltaic active regions having a plurality of different cut-off frequencies can also be used so that the width of the region of the efficiently absorbed wavelengths is increased. For example, in other embodiments, the smaller wavelength region is efficiently deflected by the deflector unit while the long wavelength region is absorbed, so that targeted adjustment in the absorber unit is also possible in this case, however, by dividing the incident spectrum into at least two subregions This leads to the fact that the complexity in each of the photovoltaically active areas can be reduced, so that the total manufacturing cost is significantly lower compared to complex solar cells with multiple PN junctions.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Absorbereinheit ausgebildet, aus dem zweiten Teil der einfallenden Strahlung Prozesswärme für die weitere Umwandlung von Strahlungsenergie in eine andere Energieform bereitzustellen. In diesem Falle kann beispielsweise eine effiziente Nutzung der Prozesswärme dadurch erfolgen, dass etwa die Wärme selbst genutzt wird oder aber zumindest ein Teil der Prozesswärme verwendet wird, mechanische oder elektrische Energie bereitzustellen. Dazu können entsprechende Kreisprozesse auf der Grundlage der Prozesswärme implementiert werden, um zusätzlich zu der bereits in der Deflektoreinheit erzeugten elektrischen Energie weitere elektrische Energie zu erzeugen, etwa über den Antrieb von Dampfturbinen, Flüssigkeitsturbinen, und dergleichen. Auch lässt sich die Prozesswärme oder ein Teil davon gegebenenfalls speichern, so dass bei Bedarf die Prozesswärme auch in Zeiten ohne solare Einstrahlung verfügbar ist. Auf diese Weise kann somit ein Hybrid-Energiewandler bereitgestellt werden, in welchem Photovoltaik und Prozesswärme gleichzeitig oder nacheinander zur Energieerzeugung genutzt werden. Diese gleichzeitige Bereitstellung von elektrischer Energie durch Photovoltaik und von Prozesswärme, die in vielseitiger Weise nutzbar ist, ergibt sich eine synergetische Wirkung in Anwendungen, in denen die Bereitstellung von Prozesswärme ein wesentlicher Aspekt ist. D. h., in derartigen Anwendungen ist das Bereitstellen einer Absorbereinheit erforderlich, um aus der solaren Strahlung Prozesswärme mit hoher Temperatur zu erzeugen, so dass die technischen Komponenten für die Aufständerung der Deflektoreinheit und der Absorbereinheit ohnehin erforderlich sind. Im Gegensatz zu konventionellen Anlagen erlaubt die Hybrid-Anlage jedoch bereits nach Installation der Deflektoreinheit die Erzeugung elektrischer Energie, die insbesondere auch in einem Installationsstadium nutzbar ist, in welchem gegebenenfalls die Prozesswärme auf längere Zeiträume hinweg noch nicht zur Verfügung steht. D. h., insbesondere für Anlagen mit großer Ausgangsleistung kann eine modulare Installation erfolgen, wobei zumindest aus der Deflektoreinheit bereits Energie bezogen werden kann, so dass sich gegebenenfalls eine höhere Rentabilität für eine entsprechende Anlage ergibt. Ferner sind in der Regel derartige Anlagen zum Erzeugen einer relativ hohen Prozesswärme mit einem höheren Wartungsaufwand verknüpft, so dass gegebenenfalls in entsprechenden Wartungsphasen insbesondere für den Bereich, der für die Prozesswärme zuständig ist, dennoch die Erzeugung elektrischer Energie über die Deflektoreinheit möglich ist.In an advantageous embodiment, the absorber unit is designed to provide process heat for the further conversion of radiant energy into another form of energy from the second part of the incident radiation. In this case, for example, an efficient use of the process heat can take place in that, for example, the heat itself is used or at least part of the process heat is used to provide mechanical or electrical energy. For this purpose, corresponding cycle processes can be implemented on the basis of the process heat in order to generate additional electrical energy in addition to the electrical energy already generated in the deflector unit, for instance via the drive of steam turbines, liquid turbines, and the like. It is also possible to store the process heat or a part thereof, so that the process heat is also available in times when there is no solar irradiation, if required. In this way, a hybrid energy converter can thus be provided, in which photovoltaic and process heat are used simultaneously or successively for energy generation. This simultaneous provision of photovoltaic electrical energy and process heat, which can be used in many ways, results in a synergistic effect in applications in which the provision of process heat is an essential aspect. That is, in such applications, providing an absorber unit is required to generate process heat from the solar radiation at high temperature, so that the technical components are required anyway for the elevation of the deflector unit and the absorber unit. In contrast to conventional systems, however, the hybrid system allows the generation of electrical energy already after installation of the deflector unit, in particular in one Installation stage is used in which, where appropriate, the process heat is not available for a long periods of time. In other words, in particular for systems with high output power, a modular installation can be carried out, it being possible for energy to be drawn from at least the deflector unit, so that, if appropriate, higher profitability results for a corresponding installation. Furthermore, such systems for generating a relatively high process heat are usually associated with a higher maintenance, so that optionally in appropriate maintenance phases, especially for the area that is responsible for the process heat, yet the generation of electrical energy via the deflector is possible.
In einer anschaulichen Ausführungsform weist der Strahlungsenergiewandler ferner einen thermo-elektrischen Wandler auf, der thermisch mit der Absorbereinheit verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich zumindest ein Teil der Prozesswärme ohne mechanisch aufwändige Komponenten in elektrische Energie umwandeln. Dabei kann gegebenenfalls Prozesswärme mit einer ”geringen” Temperatur noch zu einem gewissen Grade ”verwertet” werden, die sich ansonsten nur unter größerem Aufwand, beispielsweise mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses, der für niedrige Temperaturen ausgelegt ist, nutzen ließe.In one illustrative embodiment, the radiant energy converter further comprises a thermoelectric transducer thermally connected to the absorber unit. In this way, at least part of the process heat can be converted into electrical energy without mechanically complex components. If necessary, process heat with a "low" temperature can still be "recycled" to a certain degree, which would otherwise be used only at great expense, for example by means of a thermodynamic cycle process which is designed for low temperatures.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Strahlungsenergiewandler ferner ein in der Absorbereinheit geführtes Wärmeübertragungsmedium auf. D. h., in dieser Ausführungsform wird ein geeignetes Wärmeübertragungsmedium, beispielsweise Thermoöl, Wasser, und dergleichen, als effizientes Medium genutzt, um die Prozesswärme in geeigneter Weise bereitzustellen und/oder zu speichern. Hier gilt insbesondere auch der zuvor genannte Aspekt, dass der erfindungsgemäße Strahlungsenergiewandler auch elektrische Energie bereitstellt, wenn sich etwa der Bereich für die Bereitstellung der Prozesswärme mittels des Wärmeübertragungsmediums noch in der Installationsphase oder in einer Wartungsphase befindet.In an advantageous embodiment, the radiation energy converter further comprises a heat transfer medium guided in the absorber unit. That is, in this embodiment, a suitable heat transfer medium, for example, thermal oil, water, and the like is used as an efficient medium to suitably provide and / or store the process heat. Here, in particular, the aforementioned aspect also applies that the radiation energy converter according to the invention also provides electrical energy when, for example, the area for providing the process heat by means of the heat transfer medium is still in the installation phase or in a maintenance phase.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Deflektoreinheit Teil einer Konzentratoreinrichtung zur Konzentrierung des zweiten Teils der einfallenden Strahlungsenergie. D. h., der Strahlungsenergiewandler ermöglicht die Konzentration des zweiten Anteils der einfallenden Strahlung, so dass insbesondere im Absorber eine relativ hohe Temperatur erreicht werden kann, auch wenn ein Teil des einfallenden Spektrums und damit der damit transportierten Energie bereits in der Deflektoreinheit absorbiert wurde, um Prozesswärme bereitzustellen, die vielfältig einsetzbar ist. Beispielsweise können durch die höhere Temperatur der durch die konzentrierte Strahlung gewonnenen Prozesswärme Kreisprozesse mit höherem Wirkungsgrad ausgeführt werden, wenn die Prozesswärme über entsprechende mechanische Wandler prozessiert wird. In anderen Ausführungsformen, in denen alternativ oder zusätzlich zum Erzeugen von Prozesswärme ein photovoltaisch aktiver Bereich vorgesehen ist, kann die konzentrierte Strahlung auch dem photovoltaisch aktiven zweiten Bereich in der Absorbereinheit zugeführt werden, so dass dort deutlich kleinere Flächen für die notwendigen Halbleitermaterialien erforderlich sind, was einerseits zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad des zweiten photovoltaisch aktiven Bereichs beiträgt und andererseits generell die Kosten für die Herstellung des zweiten photovoltaisch aktiven Bereichs im Vergleich zu Modulen reduziert, die nicht mit konzentrierter Strahlung betrieben werden.In a preferred embodiment, the deflector unit is part of a concentrator device for concentrating the second part of the incident radiation energy. D. h., The radiation energy converter allows the concentration of the second portion of the incident radiation, so that in the absorber in particular a relatively high temperature can be achieved, even if a part of the incident spectrum and thus the energy transported with it has already been absorbed in the deflector unit, to provide process heat, which can be used in a variety of ways. By way of example, as a result of the higher temperature of the process heat obtained by the concentrated radiation, higher efficiency cycle processes can be carried out if the process heat is processed via corresponding mechanical transducers. In other embodiments in which a photovoltaically active region is provided as an alternative or in addition to generating process heat, the concentrated radiation can also be supplied to the photovoltaically active second region in the absorber unit, so that significantly smaller areas are required there for the necessary semiconductor materials on the one hand contributes to a higher overall efficiency of the second photovoltaically active area and on the other hand generally reduces the costs for the production of the second photovoltaically active area in comparison with modules which are not operated with concentrated radiation.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Strahlungsenergiewandler eine zumindest einachsige Nachführeinrichtung, die zumindest mit der Deflektoreinheit gekoppelt ist. Durch diese Nachführung zumindest der Deflektoreinheit lässt sich insgesamt die Ausbeute sowohl in der Deflektoreinheit als auch in der Absorbereinheit erhöhen. Eine einachsige Nachführung ist dabei ein geeigneter Kompromiss zwischen technischem Aufwand zur Implementierung der Nachführung und der dadurch erreichten Steigerung der Gesamteffizienz des Strahlungsenergiewandlers. Bei einer einachsigen Nachführung ist es beispielsweise vorteilhaft, die Deflektoreinheit in langen Reihen aufzubauen, so dass bei den verschiedenen Sonnenständen durch die Anpassung des Neigungswinkels der Deflektoreinheit dennoch eine hohe Ausbeute erreicht wird.In an advantageous embodiment, the radiation energy converter comprises an at least uniaxial tracking device which is coupled at least to the deflector unit. As a result of this tracking of at least the deflector unit, the overall yield can be increased both in the deflector unit and in the absorber unit. A uniaxial tracking is a suitable compromise between technical effort to implement the tracking and the resulting increase in the overall efficiency of the radiant energy converter. In the case of uniaxial tracking, it is advantageous, for example, to construct the deflector unit in long rows, so that a high yield is nevertheless achieved in the various sun positions by adjusting the inclination angle of the deflector unit.
Beispielsweise kann die Deflektoreinheit in Form einer oder mehrerer Parabolrinnen vorgesehen werden, wobei auch die Absorbereinheit in einer entsprechenden länglichen Gestaltung vorgesehen wird, die in oder zumindest in unmittelbarer Nähe der Brennlinie der Parabolrinnen angeordnet ist.For example, the deflector unit can be provided in the form of one or more parabolic troughs, wherein the absorber unit is also provided in a corresponding elongate configuration which is arranged in or at least in the immediate vicinity of the focal line of the parabolic troughs.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Strahlungsenergiewandler eine Einrichtung zur Aufheizung zumindest eines Teils der Deflektoreinrichtung. Dadurch kann insbesondere eine Beaufschlagung mit Prozesswärme in der Deflektoreinheit erfolgen, um beispielsweise eine Anpassung an bestimmte Prozessbedingungen zu erreichen. Es ist etwa bekannt, dass photovoltaisch aktive Bereiche, die aus amorphem Silizium aufgebaut sind, eine durch Licht hervorgerufene Degradation erfahren, die jedoch reversibel ist, wenn das amorphe Siliziummaterial bei Temperaturen von 150°C und höher ausgeheizt wird. Auf diese Weise kann die in dem Strahlungsenergiewandler bereitgestellte Prozesswärme effizient genutzt werden, um etwa den Wirkungsgrad des photovoltaisch aktiven Bereichs in der Deflektoreinheit auf einem hohen Niveau zu halten, indem eben regelmäßig oder nach Bedarf eine Aufheizung der Deflektoreinheit, etwa der darin vorgesehenen Halbleiterschichten, erfolgt. Beispielsweise kann die Prozesswärme effizient gespeichert werden und in Zeiten, beispielsweise nachts, der Deflektoreinheit zugeführt werden, so dass die reversible Rücksetzung der Eigenschaften des photovoltaisch aktiven Bereichs möglich ist.In a further advantageous embodiment, the radiation energy converter comprises a device for heating at least part of the deflector device. As a result, it is possible, in particular, to apply process heat in the deflector unit in order, for example, to achieve adaptation to specific process conditions. It is well known that photovoltaic active regions made of amorphous silicon undergo photo-induced degradation, which is reversible when the amorphous silicon material is annealed at temperatures of 150 ° C and higher. In this way, the process heat provided in the radiant energy converter can be efficiently utilized, for example, to maintain the efficiency of the photovoltaically active area in the deflector unit at a high level, by regularly or on demand Heating the deflector unit, such as the semiconductor layers provided therein takes place. For example, the process heat can be stored efficiently and fed to the deflector unit at times, for example at night, so that the reversible resetting of the properties of the photovoltaically active area is possible.
In weiteren anschaulichen Ausführungsformen können die Gerätekomponenten, die zum Aufheizen eines Teils der Deflektoreinheit dienen, auch vorteilhaft für die Kühlung eines Teils der Deflektoreinheit dienen, so dass während des Betriebs des Photovoltaisch aktiven Bereichs in der Deflektoreinheit steuerbare Temperaturbedingungen vorherrschen. insbesondere kann dadurch in Phasen mit maximaler Einstrahlung eine deutliche Verringerung des Konversionswirkungsgrad des vermieden oder zumindest entschärft werden.In further illustrative embodiments, the device components that serve to heat a portion of the deflector unit may also advantageously serve to cool a portion of the deflector unit such that controllable temperature conditions prevail during operation of the photovoltaic active area in the deflector unit. In particular, this can be avoided or at least mitigated in phases with maximum irradiation a significant reduction in the conversion efficiency of.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die zuvor genannte Aufgabe gelöst durch ein System zum Erzeugen elektrischer Energie aus solarer Strahlungsenergie. Das System umfasst einen Strahlungsenergiewandler, der zuvor beschrieben ist, oder wie er auch in der nachfolgenden detaillierter Beschreibung erläutert ist, und ein thermodynamisches System, das mit der Absorbereinheit des Strahlungsenergiewandlers gekoppelt und ausgebildet ist, zumindest aus einem Teil des auf die Absorbereinheit gelenkten zweiten Teils der einfallenden Strahlung mechanische und/oder elektrische Energie zu erzeugen.In a further aspect of the present invention, the aforementioned object is achieved by a system for generating electrical energy from solar radiation energy. The system includes a radiant energy converter, previously described, or as also explained in the following detailed description, and a thermodynamic system coupled to and configured with the absorber unit of the radiant energy converter, at least a portion of the second portion directed onto the absorber unit to generate mechanical and / or electrical energy to the incident radiation.
Auch für das erfindungsgemäße System gilt, dass insbesondere durch das Zusammenwirken des Strahlungsenergiewandlers und eines thermodynamischen Systems die Flexibilität und/oder der Gesamtwirkungsgrad und/oder die Rentabilität bei der Erzeugung elektrischer Energie aus solarer Strahlung im Vergleich zu konventionellen Photovoltaikanlagen oder solarthermischen Anlagen verbessert werden können.It is also true for the system according to the invention that the flexibility and / or the overall efficiency and / or the profitability in generating electrical energy from solar radiation can be improved in comparison to conventional photovoltaic systems or solar thermal systems, in particular through the interaction of the radiation energy converter and a thermodynamic system.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind auch in den angefügten Patentansprüchen aufgeführt und werden auch in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen erläutert, in denen:Further advantageous embodiments are also set forth in the appended claims and are also explained in the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings, in which:
Die Deflektoreinheit
In einer Ausführungsform ist beispielsweise der photovoltaisch aktive Bereich
Geeignete Halbleitermaterialien und Schichten zum Aufbau des photovoltaisch aktiven Bereichs
Die Absorbereinheit
Der Bereich
Beispielsweise können beide Bereiche aus Siliziummaterial hergestellt werden, wobei sich insbesondere amorphes Material für den Bereich
In anderen Ausführungsformen wird der photovoltaisch aktive Bereich
Es können selbst verständlich auch andere geeignete Halbleitermaterialien verwendet werden, und auch die Oberflächengestalt des Bereichs
Selbstverständlich kann auch ein anderes Anschlussschema angewendet werden, in der etwa die Ableitung der elektrischen Ladungen generell an der Rückseite erfolgt und die dotierte Halbleiterschicht an der Vorderseite über geeignete Kontaktelemente mit der Rückseite in Verbindung steht.Of course, another connection scheme can also be used in which, for example, the discharge of the electrical charges generally takes place at the rear side and the doped semiconductor layer at the front side is connected to the rear side via suitable contact elements.
Die Schicht
Der Bereich
Die diversen Materialschichten des Bereichs
Die Schichten des Bereichs
Obwohl die Herstellung des aktiven Bereichs
In vorteilhaften Ausführungsformen stellt das System
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DE102011112395B4 (en) | 2018-09-06 |
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