DE102016118265B4

DE102016118265B4 - Schwimmfähige Solaranlage

Info

Publication number: DE102016118265B4
Application number: DE102016118265.6A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Hornig
Original assignee: BPE EK
Current assignee: BPE EK
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2036-09-28
Also published as: EP3519743A1; DE102016118265A1; WO2018059616A1; DE202017102482U1

Abstract

Schwimmfähige Solaranlage zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend einen oder mehrere miteinander verbundene Schwimmkörper (1), mindestens ein Photovoltaikelement (2) und mindestens ein jeweils eine Kaltkontaktfläche (3.1) und jeweils eine Warmkontaktfläche (3.2) aufweisendes Thermogeneratorelement (3), dadurch gekennzeichnet, dass- jeder der Schwimmkörper (1) aus einem metallischen Werkstoff besteht und jeweils einen wasserdichten Sandwichaufbau mit einer Deckplatte (1.1), einer Bodenplatte (1.2) und einer zwischen diesen beiden angeordneten Dünnblechstruktur (1.3) aufweist,- jedes der Thermogeneratorelemente (3) mit jeweils einem Schwimmkörper (1) verbunden ist, wobei es mit seiner Kaltkontaktfläche (3.1) im thermischen Kontakt mit der Deckplatte (1.1) dieses Schwimmkörpers (1) steht,- jedes der Thermogeneratorelemente (3) an seiner Warmkontaktfläche (3.2) thermisch kontaktierend mit einem plattenförmigen Wärmekollektorelement (4) verbunden ist,- die Photovoltaikelemente (2) und die Thermogeneratorelemente (3) flächig nebeneinander angeordnet sind, wobei die Seitenflächen der Photovoltaikelemente (2) die Seitenflächen der Thermogeneratorelemente (3) im Bereich der Warmkontaktfläche (3.2) berühren,- die Photovoltaik- und Thermogeneratorelemente (2, 3) elektrisch mittels einer Steuerungs- und Regelungseinheit (5) gekoppelt sind, und- sich jedes der Wärmekollektorelemente (4) im schwimmenden Zustand der Solaranlage stets oberhalb der Wasseroberfläche (11) befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine schwimmfähige Solaranlage zur Erzeugung elektrischer Energie zum Beispiel zur Stromversorgung von Wasserreinigungs- oder Fischzuchtanlagen.
Die dezentrale Erzeugung elektrischer Energie ist in Entwicklungs- und Schwellenländern weit verbreitet; eine Alternative zu den verbrennungsmotorgetrieben Generatoren stellt dabei die Nutzung der Sonnenenergie dar. Insbesondere in der Gewässerwirtschaft, zum Beispiel in Fisch- und Krustentierfarmen, besteht ein erheblicher Energiebedarf für die Gewässerreinigung, der umweltfreundlich und kostengünstig mittels Photovoltaik und elektrothermischer Wandler gedeckt werden kann.
Es ist bekannt, dass Fotovoltaikmodule bzw. die darin verwendeten Solarzellen eine Temperaturabhängigkeit der Stromerzeugung zeigen. Ab einer Schwellentemperatur von ca. 30 °C tritt ein sogenannter „Voltage Drop“ ein, d. h., die mit der Solarzelle erzeugte Spannung fällt ab, wobei eine Temperaturerhöhung von 1 K etwa einen Leistungsverlust von 1 % nach sich zieht. Diesem Leistungsverlust bei starker Erwärmung kann durch Kühlung der Solarzellen entgegengewirkt werden; im Fall schwimmender Fotovoltaikmodule bietet sich die Nutzung des Gewässers als Kühlmedium an.
Zudem besteht die Möglichkeit bei schwimmenden Solaranlagen aus der Temperaturdifferenz zwischen der erhitzten Oberseite und der gekühlten Unterseite Energie mittels elektrothermischer Wandler (Thermogeneratoren) zu gewinnen.
In DE 36 19 327 A1 ist eine schwimmfähige Solaranlage mit kombinierter Photonen- und Wärmeenergiekonversion offenbart, deren Oberseite mit Halbleiterphotoelementen versehen ist und deren Unterseite sich bei Betrieb unterhalb der Wasseroberfläche befindet. Zwischen der heißen, der Sonneneinstrahlung zugewandten Oberseite und der wassergekühlten Unterseite befinden sich Thermogeneratoren zur Gewinnung von elektrischer Energie aus dem durch den Temperaturgradienten bedingten Wärmeenergiefluss. Nachteilig ist, dass der Schwimmkörper aus einem Material hoher Wärmedämmung hergestellt ist. Dies erfordert, dass die Thermogeneratorelemente zumindest einseitig direktem Wasserkontakt ausgesetzt sind. Andererseits ermöglicht die Solaranalage keine direkte Kühlung der Photovoltaikelemente durch das Wasser.
Bekannt aus DE 10 2011 051 507 A1 ist eine Solarvorrichtung mit einem Fotovoltaik- und einem Peltierelement, wobei an der Kaltkontaktfläche des Peltierelementes ein Kühlkörper aus metallischem Werkstoff angebracht sein kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine robuste, schwimmfähige Solaranlage zur Umwandlung von Lichtenergie mittels Photovoltaikelementen und Wärmeenergie mittels Thermogeneratorelementen in elektrische Energie bereitzustellen, die eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Kühlung aufweist, wobei ein unmittelbarer Wasserkontakt der Thermogeneratorelemente nicht erforderlich ist. Andererseits soll die Kühlung der Photovoltaikelemente auch durch direkten Wasserkontakt ermöglicht sein.
Nach Maßgabe der Erfindung weist die schwimmfähige Solaranlage einen oder mehrere miteinander verbundene Schwimmkörper, mindestens ein Photovoltaikelement und mindestens ein jeweils eine Kaltkontaktfläche und jeweils eine Warmkontaktfläche aufweisendes Thermogeneratorelement auf.
Im Folgenden wird die Solaranlage mit jeweils einem Schwimmkörper, einem Photovoltaikelement und einem Thermogeneratorelement beschrieben; die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt sondern kann jeweils auch mehrere Schwimmkörper, Photovoltaikelemente und/oder Thermogeneratorelemente umfassen.
Der Schwimmkörper besteht aus einem metallischen Werkstoff, zum Beispiel aus einer Aluminiumlegierungen, einer Titanlegierungen oder einer anderen Leichtmetalllegierung. Er weist einen wasserdichten Sandwichaufbau mit einer Deckplatte, einer Bodenplatte und einer zwischen diesen beiden angeordneten Dünnblechstruktur auf. Die Dünnblechstruktur kann zum Beispiel eine Wellblechstruktur, eine Honigwabenstruktur oder ein geschlossenporiger Metallschaum sein.
Das Thermogeneratorelement ist an seiner Kaltkontaktfläche mit der Deckplatte des Schwimmkörpers thermisch kontaktierend verbunden, d. h., Wärmeströme können ungehindert die Grenzfläche zwischen Thermogeneratorelement und Schwimmkörper passieren.
An der Warmkontaktfläche des Thermogeneratorelementes ist ein Wärmekollektorelement thermisch kontaktierend angebracht. Das Wärmekollektorelement dient der Sammlung von von der Sonne gelieferter Wärmeenergie und Bereitstellung derselben an das Thermogeneratorelement. Das Sammeln von Wärmeenergie kann durch Absorption der Wärmestrahlungsanteile der Sonnenstrahlung und/oder durch Umwandlung von Strahlungsanteilen in einem Wellenlängenbereich jenseits der InfrarotStrahlung in Wärmeenergie erfolgen. Im schwimmenden Zustand der Solaranlage befindet sich das Wärmekollektorelement stets oberhalb der Wasseroberfläche. Dies ist durch die Dimensionierung des Schwimmkörpervolumens und der Schwimmkörpermasse in Bezug auf das Gesamtgewicht, d. h. der Summe aus Gewichtskraft des Schwimmkörpers und Gewichtskraft der vom Schwimmkörper zu tragenden Bauteile, erreichbar.
Gemäß der Erfindung sind das Photovoltaikelement und das Thermogeneratorelemente flächig nebeneinander angeordnet, wobei die Seitenfläche des Photovoltaikelementes die Seitenfläche des Thermogeneratorelementes im Bereich der Warmkontaktfläche berührt. Die sich bei Sonneneinstrahlung im Photovoltaikelement akkumulierende Wärme kann über die Seitenflächen zum Thermogeneratorelement hin abfließen, wo sie einen Beitrag zum Wärmestrom und folglich zur elektrischen Energieerzeugung liefert. Die gleichzeitig stattfindende (passive) Kühlung des Photovoltaikelementes vermindert den Spannungsabfall bei der steigenden Erwärmung des Photovoltaikelementes.
Das Photovoltaikelement und das Thermogeneratorelement sind mittels einer Steuerungs- und Regelungseinheit gekoppelt. Diese stellt sicher, dass die in den einzelnen Komponenten der Solaranlage erzeugte elektrische Energie mit einer konstanten Spannung einem externen Verbraucher zur Verfügung gestellt wird.
Einer der wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Solaranlage ist der robuste Aufbau der Komponenten auf dem Schwimmkörper aus metallischem Werkstoff.
Weiterhin ist aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Metalls gewährleistet, dass ein hoher Wärmestrom in den Thermogeneratorelementen zwischen der Warmkontaktflächen an den sonnenerhitzen Wärmekollektorelementen und der Kaltkontaktfläche an der Deckfläche des wassergekühlten Schwimmkörpers entsteht.
Die Kombination des Photovoltaikelementes und des Thermogeneratorelementes bietet zudem den Vorteil, dass der Leistungsrückgang des Photovoltaikelementes mit steigender Erwärmung bei starker Sonneneinstrahlung durch die höhere Leistungsabgabe des Thermogeneratorelementes (infolge der stärkeren Erwärmung an der Warmkontaktfläche) ausgeglichen wird. Die Solaranlage liefert folglich auch bei sehr starker Sonneneinstrahlung stets elektrische Energie ohne Leistungseinbrüche.
Das Wärmekollektorelement kann eine Platte aus einem Aluminiumwerkstoff sein, die zur Verbesserung der Wärmeabsorption zumindest auf dem der Sonne zugewandten Bereich ihrer Oberfläche schwarz eloxiert ist. Die Eloxalschicht schützt gleichzeitig vor korrodierenden Einflüssen und verbessert den Widerstand gegen Verschleiß (der zum Beispiel aufgrund von Staub-, Sand-, Schlamm- oder Salzablagerungen auftreten kann). Eine Alternative zur Eloxalschicht ist die Beschichtung der Aluminiumplatte mit Graphen, einem Werkstoff mit besonders hoher Wärmeleitfähigkeit.
Weiterhin kann das Wärmekollektorelement gleichzeitig das Photovoltaikelement sein. In dieser Ausführung der Erfindung wird die Erwärmung des Photovoltaikelementes bei Sonneneinstrahlung vom Thermogeneratorelement zur Energieerzeugung genutzt.
Das Photovoltaikelement kann in einer alternativen Ausführung thermisch kontaktierend an der Deckplatte des Schwimmkörpers angebracht sein. Dies ermöglicht die Kühlung des Photovoltaikelementes durch den gut wärmeleitfähigen metallischen Schwimmkörper.
Ferner kann das Photovoltaikelement unmittelbar unterhalb der Wasseroberfläche positioniert sein, d. h. auf der der Sonne zugewandten Oberseite des Photovoltaikelements befindet sich ein dünner Wasserfilm von z. B. wenigen Millimetern. Besonders vorteilhaft ist dabei die sehr gute Kühlwirkung durch das umgebende Wasser. Außerdem werden Ablagerungen, zum Beispiel durch Staub, durch die Wasserbewegungen entfernt, sodass eine regelmäßige Säuberung der Photovoltaikelemente aufgrund dieses Selbstreinigungseffektes entbehrlich ist.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass am Schwimmkörper ein oder mehrere luftgefüllte Auftriebselemente aus flexiblem Material angebracht sind. Das Volumen der Auftriebselemente ist durch Luftbefüllung, zum Beispiel mittels einer elektrisch angetriebenen Luftpumpe, vergrößerbar und durch Luftentnahme, zum Beispiel mittels eines steuerbaren Ablassventils, verkleinerbar. Dies ermöglicht es, die Solaranlage in Bezug zur Wasseroberfläche in einer definierten Schwimmhöhe einzustellen, sodass die Wärmekollektorelemente einerseits sicher oberhalb der Wasseroberfläche positioniert und der Schwimmkörper sowie ggf. die Kaltkontaktflächen und/oder die Photovoltaikelemente andererseits durch Ein- oder Untertauchen in das Wasser von demselben gekühlt sind.
In dieser Ausgestaltung der Erfindung kann an einer (vorgegebenen) Position ein Feuchtigkeitssensor an der Solaranlage angebracht sein. Die Steuer- und Regelungseinheit ist - neben der Regelung der erzeugten elektrischen Energie - durch Kopplung mit der Luftpumpe und mit dem Ablassventil dazu ausgebildet, die Luftbefüllung der Auftriebselemente derart zu regulieren, dass sich der Feuchtigkeitssensor im schwimmenden Zustand der Solaranlage stets im Bereich der Wasseroberfläche befindet. Die Solaranlage passt bei unterschiedlichen Umweltbedingungen, zum Beispiel bei Veränderung des Auftriebs durch unterschiedlichen Salzgehalt des Wassers, selbsttätig ihre Schwimmhöhe an und kann unabhängig vom Einsatzort in der energieoptimalen Schwimmhöhe betrieben werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen

1: eine Solaranlage im Basisaufbau im Längsschnitt,
2: eine Solaranlage, aufweisend ein als Photovoltaikelement ausgebildetes Wärmekollektorelement, im Längsschnitt, 3: eine Solaranlage mit Auftriebselementen im Längsschnitt,
4: eine Solaranlage mit Photovoltaikelement ohne Schwimmkörper zwischen zwei Thermogeneratoren im Längsschnitt,
5: eine Solaranlage mit Unterwasser-Photovoltaikelement ohne Schwimmkörper zwischen zwei Thermogeneratoren im Längsschnitt,
6: eine Solaranlage mit Photovoltaikelement mit Schwimmkörper zwischen zwei Thermogeneratoren im Längsschnitt, und
7: eine Solaranlage mit Unterwasser-Photovoltaikelement mit Schwimmkörper zwischen zwei Thermogeneratoren im Längsschnitt.

Der Basisaufbau der Solaranlage nach der 1 umfasst den Schwimmkörper 1, das Photovoltaikelement 2, das Thermogeneratorelement 3, das Wärmekollektorelement 4 und die Steuerungs- und Regelungseinheit 5.
Die Deckplatte 1.1, die Bodenplatte 1.2 und sowie die Dünnblechstruktur 1.3 des Schwimmkörpers 1 sind aus einer seewasserbeständigen AlMg-Legierung hergestellt. Die Dünnblechstruktur 1.3 ist als Honigwabenstruktur ausgebildet.
Das Photovoltaikelement 2 und das Thermogeneratorelement 3 sind flächig auf der Deckplatte 1.1 befestigt. Das Thermogeneratorelement 3 kontaktiert die Deckplatte 1.1 an der Kaltkontaktfläche 3.1. An der Warmkontaktfläche 3.2 des Thermogeneratorelementes 3 ist das Wärmekollektorelement 4 angebracht.
Das Wärmekollektorelement 4 ist eine Platte aus einer seewasserbeständigen AlMg-Legierung. Dieses ist an der Oberseite, d. h. an seinem der Sonnenstrahlung 12 zugewandten Oberflächenbereich, zur Verbesserung der Absorption der Wärmestrahlung schwarz eloxiert.
Das Photovoltaikelement 2 und das Thermogeneratorelement 3 sind mittels der elektrischen Leiter 6 mit der Steuerungs- und Regelungseinheit 5 verbunden.
Im schwimmenden Zustand taucht die Solaranlage soweit in das Wasser ein, dass die Wasseroberfläche 11 bis unmittelbar unterhalb die Deckplatte 1.1 heranreicht.
Die Variante der Solaranlage gemäß 2 zeigt links das identisch wie in der 1 aufgebaute Thermogeneratorelement 3 mit dem Wärmekollektorelement 4 in Form einer schwarz eloxierten Aluminium-Platte. Im Fall des rechts angeordneten Thermogeneratorelementes 3 ist das Photovoltaikelement 2 gleichzeitig das Wärmekollektorelement 4, d. h., das Photovoltaikelement 2 wird vom Thermogeneratorelement 3 gekühlt.
Die Solaranlage nach der 3 entspricht dem Basisaufbau nach der 1 ergänzt um die Auftriebselemente 7. Diese bestehen jeweils aus einem luftgefüllten Nylongewebe. Die Volumina der Auftriebselemente 7 sind durch Luftbefüllung- und - entnahme veränderbar. Die Luftpumpe 8 und das Abblasventil 9 sind zur Steuerung der Luftmenge in den Auftriebselementen 7 über die elektrischen Leiter 6 mit der Steuerungs- und Regelungseinheit 5 verbunden.
Der Feuchtigkeitssensor 10 ist unmittelbar oberhalb der Oberseite des Photovoltaikelementes 2 angebracht. Die Steuerungs- und Regelungseinheit 5 ist derart ausgebildet, dass bei Wasserkontakt des Feuchtigkeitssensors 10 die Luftpumpe 8 und bei Luftkontakt des Feuchtigkeitssensors 10 das Ablassventil 9 aktiviert wird. Die Solaranlage befindet sich somit während des Betriebs in einem dynamischen Gleichgewicht, wobei der Feuchtigkeitssensor 10 sich stets im Bereich der Wasseroberfläche bewegt und das Photovoltaikelement 2 unmittelbar unterhalb der Wasseroberfläche liegt.
Die 4 bis 7 zeigen unterschiedliche Varianten der Solanlage mit jeweils zwei Thermogeneratorelementen 3 und einem Photovoltaikelement 2. Die Thermogeneratorelemente 3 mit dem Wärmekollektorelement 4 (entsprechend dem Basisaufbau) sind jeweils auf einem eigenen Schwimmkörper 1 angebracht.
Das zwischen diesen angeordnete Photovoltaikelement 2 berührt mit seinen Seitenflächen gemäß den Varianten in 4 und 6 die Seitenflächen der Thermogeneratorelemente 3 jeweils im Bereich der Warmkontaktfläche 3.2. In den Varianten der 5 und 7 ist das Photovoltaikelement 2 unmittelbar unterhalb der Wasseroberfläche angeordnet.
Bei den Solarmodulen gemäß 4 und 5 verbinden die Photovoltaikelemente 2 die Thermogeneratorelemente 3 bzw. die Schwimmkörper 1. Die Photovoltaikelemente 2 in den 6 und 7 sind zusätzlich auf eigene Schwimmkörper 1 montiert.
Bezugszeichenliste

1: Schwimmkörper
1.1: Deckplatte
1.2: Bodenplatte
1.3: Dünnblechstruktur
2: Photovoltaikelement
3: Thermogeneratorelement
3.1: Kaltkontaktfläche
3.2: Warmkontaktfläche
4: Wärmekollektorelement
5: Steuerungs- und Regelungseinheit
6: elektrischer Leiter
7: Auftriebselement
8: Luftpumpe
9: Ablassventil
10: Feuchtigkeitssensor
11: Wasseroberfläche
12: Sonnenstrahlung

Claims

Schwimmfähige Solaranlage zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend einen oder mehrere miteinander verbundene Schwimmkörper (1), mindestens ein Photovoltaikelement (2) und mindestens ein jeweils eine Kaltkontaktfläche (3.1) und jeweils eine Warmkontaktfläche (3.2) aufweisendes Thermogeneratorelement (3), dadurch gekennzeichnet, dass - jeder der Schwimmkörper (1) aus einem metallischen Werkstoff besteht und jeweils einen wasserdichten Sandwichaufbau mit einer Deckplatte (1.1), einer Bodenplatte (1.2) und einer zwischen diesen beiden angeordneten Dünnblechstruktur (1.3) aufweist, - jedes der Thermogeneratorelemente (3) mit jeweils einem Schwimmkörper (1) verbunden ist, wobei es mit seiner Kaltkontaktfläche (3.1) im thermischen Kontakt mit der Deckplatte (1.1) dieses Schwimmkörpers (1) steht, - jedes der Thermogeneratorelemente (3) an seiner Warmkontaktfläche (3.2) thermisch kontaktierend mit einem plattenförmigen Wärmekollektorelement (4) verbunden ist, - die Photovoltaikelemente (2) und die Thermogeneratorelemente (3) flächig nebeneinander angeordnet sind, wobei die Seitenflächen der Photovoltaikelemente (2) die Seitenflächen der Thermogeneratorelemente (3) im Bereich der Warmkontaktfläche (3.2) berühren, - die Photovoltaik- und Thermogeneratorelemente (2, 3) elektrisch mittels einer Steuerungs- und Regelungseinheit (5) gekoppelt sind, und - sich jedes der Wärmekollektorelemente (4) im schwimmenden Zustand der Solaranlage stets oberhalb der Wasseroberfläche (11) befindet.
Schwimmfähige Solaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Photovoltaikelemente (2) thermisch kontaktierend an der Deckplatte (1.1) jeweils eines der Schwimmkörper (1) angebracht sind.
Schwimmfähige Solaranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Photovoltaikelemente (2) im schwimmenden Zustand der Solaranlage unmittelbar unterhalb der Wasseroberfläche (11) positioniert ist.
Schwimmfähige Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Wärmekollektorelemente (4) eines der Photovoltaikelemente (3) ist.
Schwimmfähige Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Wärmekollektorelemente (4) eine Platte aus schwarz eloxiertem oder Graphen-beschichtetem Aluminiumwerkstoff ist.
Schwimmfähige Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnblechstruktur (1.3) eine Wellblechstruktur, eine Honigwabenstruktur oder ein geschlossenporiger Metallschaum ist.
Schwimmfähige Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem Schwimmkörper (1) ein oder mehrere luftgefüllte Auftriebselemente (7) aus flexiblem Material angebracht sind, wobei das Volumen der Auftriebselemente (7) durch Luftbefüllung mittels einer elektrisch angetriebenen Luftpumpe (8) vergrößerbar und durch Luftentnahme mittels eines steuerbaren Ablassventils (9) verkleinerbar ist.
Schwimmfähige Solaranlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der Solaranlage an einer Position ein Feuchtigkeitssensor (10) angebracht ist, wobei die Steuer- und Regelungseinheit (5) durch Kopplung mit der Luftpumpe (8) und mit dem Ablassventil (9) dazu ausgebildet ist, die Luftbefüllung der Auftriebselemente (7) derart zu regulieren, dass sich der Feuchtigkeitssensor (10) im schwimmenden Zustand der Solaranlage stets im Bereich der Wasseroberfläche (11) befindet.