DE102017104791B3 - Thermogenerator cell, use of the thermal generator cell and method of operation of the thermal generator cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Thermogeneratorzelle, eine Solaranlage sowie ein Verfahren zum Betrieb der Thermogeneratorzelle zur Erzeugung elektrischer Energie aus Solarstrahlung (5) während der Tag- und Nachtzeit. Die Thermogeneratorzelle umfasst einen einseitig offenen, mit einem Wärmespeichermaterial (4) gefüllten Wärmeisolierbehälter (3), in den ein Wärmeleitkörper (2) mit einem darauf thermisch kontaktierten Peltierelement (1) eingesetzt ist. Während der Tagzeit wird Solarstrahlung (5) durch das Peltierelement (1) in elektrischen Strom gewandelt und gleichzeitig Wärme im Wärmespeichermaterial (4) gespeichert. Im Verlauf der folgenden Nachtzeit wird die gespeicherte Wärme über das Peltierelement (1) an die Umgebungsatmosphäre abgeführt; der Wärmestrom wird wiederum in elektrischen Strom gewandelt. Die Thermogeneratorzelle eignet sich zur dezentralen Stromerzeugung, besonders in geografischen Lagen mit hoher Sonneneinstrahlung und ausgeprägten Temperaturdifferenzen zwischen Tag- und Nachtzeit.The invention relates to a thermal generator cell, a solar system and a method for operating the thermal generator cell for generating electrical energy from solar radiation (5) during the day and night. The thermoelectric generator cell comprises a heat insulating container (3) which is open on one side and filled with a heat storage material (4), into which a heat conducting body (2) having a thermally contacted Peltier element (1) is inserted. During the daytime solar radiation (5) is converted by the Peltier element (1) into electricity and at the same time heat is stored in the heat storage material (4). During the following night, the stored heat is dissipated via the Peltier element (1) to the ambient atmosphere; The heat flow is in turn converted into electricity. The thermal generator cell is suitable for decentralized power generation, especially in geographic locations with high solar radiation and pronounced temperature differences between daytime and nighttime.
Description
Die Erfindung betrifft eine Thermogeneratorzelle, eine Verwendung der Thermogeneratorzelle sowie ein Verfahren zum Betrieb der Thermogeneratorzelle; sie dienen zur dezentralen Erzeugung elektrischer Energie aus Solarstrahlung.The invention relates to a thermogenerator cell, a use of the thermal generator cell and a method for operating the thermal generator cell; they serve for the decentralized generation of electrical energy from solar radiation.
Peltierelemente können als Thermogeneratoren zur Gleichstromzeugung betrieben werden, indem ein Wärmestrom unter Ausnutzung des Seebeck-Effektes in elektrischen Strom gewandelt wird. Der dazu erforderliche Temperaturgradient wird durch Kühlen oder Erwärmen einer der sich gegenüberliegenden Thermokontaktflächen des Peltierelements erzeugt.Peltier elements can be operated as thermogenerators for DC generation by a heat flow is converted by utilizing the Seebeck effect into electricity. The required temperature gradient is generated by cooling or heating one of the opposite thermal contact surfaces of the Peltier element.
Die Verwendung von Peltierelementen zur Wandlung der Wärmestrahlung der Sonne in elektrischen Strom ist allgemein bekannt.
Um den Temperaturgradienten und den daraus resultierenden Wärmestrom im Peltierelement bei Erwärmung der der Sonnenstrahlung zugewandten, ersten Thermokontaktfläche des Peltierelements aufrechtzuhalten, ist es erforderlich die gegenüberliegende, zweite Thermokontaktfläche des Peltierelements zu kühlen. Dies kann zum Beispiel durch Einbringen der zweiten Thermokontaktfläche in ein Kühlmedium, wie zum Beispiel Wasser, erfolgen. Eine wassergekühlte, schwimmfähige Solaranlage, kombiniert aus Fotovoltaik- und Thermogeneratormodulen, ist in
Thermogeneratoren zur Erzeugung elektrischen Stroms aus Sonnenenergie können effektiv jedoch nur während der Tagzeit, d. h. bei wirksamer Solarstrahlung, betrieben werden. Während der Nachtzeit kühlt die tagsüber durch die Solarstrahlung erwärmte, erste Thermokontaktfläche des Peltierelements in der Umgebungsatmosphäre ab. Infolgedessen kommt der Wärmefluss im Peltierelement zum Erliegen; elektrische Energieerzeugung ist mit derartigen Thermogeneratoren zur Nachtzeit nun nicht mehr möglich.However, thermal generators for generating electric power from solar energy can effectively only during the daytime, d. H. with effective solar radiation, operated. During the night, the first thermal contact surface of the Peltier element, which has been heated by the solar radiation during the day, cools down in the ambient atmosphere. As a result, the heat flow in the Peltier element comes to a standstill; Electric power generation is no longer possible with such thermal generators at night time.
Eine Vorrichtung zur Stromerzeugung mittels Thermogenerator und einem zusätzlichen Wärmespeicher ist in
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Thermogeneratorzelle zur dezentralen Erzeugung elektrischer Energie aus Solarenergie bereitzustellen, die die Stromerzeugung während der Nachtzeit zusätzlich zur Stromerzeugung während der Tagzeit ermöglicht.The object of the invention is to provide a thermal generator cell for decentralized generation of electrical energy from solar energy, which allows power generation during the night time in addition to power generation during the daytime.
Die Aufgabe wird durch eine Thermogeneratorzelle mit den kennzeichnenden Merkmalen nach dem Anspruch 1 sowie einem Verfahren zu deren Betrieb nach Anspruch 7 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 sowie 8 beschrieben.The object is achieved by a thermal generator cell with the characterizing features of claim 1 and a method for their operation according to
Nach Maßgabe der Erfindung besitzt die Thermogeneratorzelle ein Peltierelement mit einer ersten und einer zweiten Thermokontaktfläche. Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch ist die erste Thermokontaktfläche während der Tagzeit in Richtung der Sonne ausgerichtet, sodass die erste Thermokontaktfläche durch die Solarstrahlung direkt oder auch indirekt erwärmt wird.According to the invention, the thermal generator cell has a Peltier element with a first and a second thermal contact surface. When used as intended, the first thermal contact surface is oriented towards the sun during the daytime, so that the first thermal contact surface is heated directly or indirectly by the solar radiation.
Die zweite Thermokontaktfläche befindet sich auf der der ersten Thermokontaktfläche gegenüberliegenden Seite des Peltierelements. Sie ist mit einem Wärmeleitkörper aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, nämlich einem metallischen Werkstoff, thermisch kontaktierend verbunden. Besonders geeignete Wärmeleitkörperwerkstoffe sind Aluminium- oder Kupferlegierungen.The second thermal contact surface is located on the opposite side of the first thermal contact surface of the Peltier element. It is connected to a heat conducting body made of a material with high thermal conductivity, namely a metallic material, thermally contacting. Particularly suitable Wärmeleitkörperwerkstoffe are aluminum or copper alloys.
Gemäß der Erfindung ist der Wärmeleitkörper ein Metallschaum. Die große spezifische Oberfläche der Metallschäume und die daraus resultierende große Kontaktfläche zum Wärmespeichermaterial ermöglicht eine effiziente Wärmeübertragung. Besonders geeignet sind offenporige Metallschäume, da diese in einer Thermogeneratorzelle mit flüssigem Wärmespeichermaterial vollständig durchdrungen sind, sodass der Wärmeübergang auch über die inneren Oberflächen des Metallschaums stattfindet.According to the invention, the heat-conducting body is a metal foam. The large specific surface of the metal foams and the resulting large contact surface with the heat storage material allows efficient heat transfer. Particularly suitable are open-pored metal foams, since they are completely penetrated in a thermoelectric generator cell with liquid heat storage material, so that the heat transfer also takes place via the inner surfaces of the metal foam.
Vorteilhafterweise weist der Wärmeleitkörper einen offenporigem Metallschaum auf, dessen Poren sich kontinuierlich von der Kontaktfläche mit dem Peltierelement hin zur gegenüberliegenden Oberfläche des Wärmeleitkörpers vergrößern, d. h. der Wärmeleitkörper besitzt eine gradierte Porosität. Dies gewährleistet einen einerseits guten thermischen Kontakt zum Peltierelement, da der Wärmeleitkörper in diesem Bereich eine höhere Dichte besitzt und folglich mehr Material zur Wärmeab- oder -zuleitung zur Verfügung steht. Andererseits bewirkt die höhere Porosität an der gegenüberliegenden Oberfläche des Wärmeleitkörpers, dass formunbeständiges Wärmespeichermaterial, wie Flüssigkeit oder Pulver, beim Einsetzen des Wärmeleitkörpers in den Wärmeisolierbehälter leicht in die größeren Poren eindringen kann. Diese intensive Einbettung des Wärmeleitkörpers in das Wärmespeichermaterial ermöglicht einen besonders effektiven Transport von Wärme in und aus dem Wärmespeichermaterial.Advantageously, the heat-conducting body has an open-pored metal foam whose pores increase continuously from the contact surface with the Peltier element towards the opposite surface of the heat-conducting body, ie the heat-conducting body has a graded porosity. This ensures on the one hand good thermal contact with the Peltier element, since the heat-conducting body in this area has a higher density and consequently more material is available for heat dissipation or supply line. On the other hand, the higher porosity on the opposite surface of the heat-conducting body causes the shape-imperfect heat storage material, such as liquid or powder Inserting the heat-conducting body into the heat-insulating container can easily penetrate into the larger pores. This intensive embedding of the Wärmeleitkörpers in the heat storage material allows a particularly effective transport of heat in and out of the heat storage material.
Erfindungsgemäß weist die Thermogeneratorzelle einen einseitig offenen, mit einem Wärmespeichermaterial gefüllten Wärmeisolierbehälter auf. Der Wärmeleitkörper ist in das Wärmespeichermaterial im Wärmeisolierbehälter eingebettet, wodurch Wärmespeichermaterial und Wärmeleitkörper in direktem Kontakt stehen.According to the invention, the thermal generator cell has a heat insulating container which is open on one side and filled with a heat storage material. The heat-conducting body is embedded in the heat storage material in the heat-insulating container, as a result of which heat storage material and heat-conducting body are in direct contact.
Die Wandungen des Wärmeisolierbehälters bestehen aus einem thermisch isolierenden Material, zum Beispiel einer Keramik. Alternativ können sie in allgemein bekannter Weise thermisch isolierend konstruiert sein, zum Beispiel doppelwandig.The walls of the Wärmeisolierbehälters consist of a thermally insulating material, for example a ceramic. Alternatively, they may be constructed in a generally known manner thermally insulating, for example double-walled.
Der Wärmeisolierbehälter kann zum Beispiel als quaderförmiger, nach oben offener Kasten ausgeführt sein, in den der Wärmeleitkörper mit dem auf seiner Oberseite angebrachten Peltierelement eingesetzt ist.The heat insulating container can be designed, for example, as a cuboidal, open-topped box, in which the heat-conducting body is inserted with the Peltier element mounted on its upper side.
Das Peltierelement ist im Bereich der Öffnung des Wärmeisolierbehälters angeordnet, wobei die erste Thermokontaktfläche nach außen, d. h., bei bestimmungsgemäßem Betrieb in Richtung der Sonne, gerichtet ist.The Peltier element is arranged in the region of the opening of the heat insulating container, wherein the first thermal contact surface to the outside, d. h., in normal operation in the direction of the sun, is directed.
Die erste Thermokontaktfläche des Peltierelements befindet sich stets außerhalb des Wärmespeichermaterials. Das Peltierelement darf lediglich in den unmittelbar an die zweite Thermokontaktfläche angrenzenden, seitlichen Bereichen mit dem Wärmespeichermaterial kontaktiert sein.The first thermal contact surface of the Peltier element is always located outside of the heat storage material. The Peltier element may only be in contact with the heat storage material in the lateral regions directly adjacent to the second thermal contact surface.
Die Öffnung des Isolierbehälters kann mit einer Abdeckung verschlossen sein, die im Bereich des Peltierelements eine Aussparung aufweist oder für Wärmestrahlung durchlässig ist. Zudem ist es möglich, eine für Wärmestrahlen durchlässige Abdeckung, zum Beispiel aus einem wärmeleitfähigen Material, auf der ersten Thermokontaktfläche des Peltierelements anzubringen.The opening of the insulating container may be closed by a cover which has a recess in the region of the Peltier element or is permeable to heat radiation. In addition, it is possible to apply a heat-radiation-permeable cover, for example of a thermally conductive material, on the first thermal contact surface of the Peltier element.
Erfindungsgemäß wird die Thermogeneratorzelle nach einem Verfahren betrieben, welches die wechselnden Wärmeströmungen im Tag-Nacht-Zyklus ausnutzt.According to the invention, the thermal generator cell is operated by a method which utilizes the changing heat flows in the day-night cycle.
Ausgangspunkt ist eine Thermogeneratorzelle, die eine in allen Bereichen gleiche Temperatur aufweist.The starting point is a thermogenerator cell which has a temperature which is the same in all areas.
Die Thermogeneratorzelle wird während der Tagzeit einfallender Solarstrahlung ausgesetzt. Die erste Thermokontaktfläche des Peltierelements heizt sich auf und es baut sich ein Temperaturgradient zwischen der ersten, sich aufheizenden Thermokontaktfläche und der zweiten, kühleren Thermokontaktfläche auf. Dies wiederum führt zur Ausbildung eines Wärmeflusses von der ersten Thermokontaktfläche hin zur zweiten Thermokontaktfläche, der im Peltierelement in elektrischen Strom gewandelt und als nutzbare Energie abgeführt wird.The thermogenerator cell is exposed during the daytime incident solar radiation. The first thermal contact surface of the Peltier element heats up and a temperature gradient builds up between the first heating thermal contact surface and the second, cooler thermal contact surface. This in turn leads to the formation of a heat flow from the first thermal contact surface towards the second thermal contact surface, which is converted into electric current in the Peltier element and dissipated as usable energy.
Während dieser solarstrahlungsbedingten Aufheizperiode erhöht sich die Temperatur der zweiten Thermokontaktfläche und es entsteht ein Temperaturgradient zwischen dieser und dem mit ihr über den Wärmeleitkörper in thermischen Kontakt stehenden Wärmespeichermaterial. Wärme strömt von der zweiten Thermokontaktfläche zum Wärmespeichermaterial und heizt dieses auf. Die Speicherung der Wärme erfolgt im Wärmespeichermaterial als innere Energie.During this solar radiation-related heating period, the temperature of the second thermal contact surface increases and there is a temperature gradient between the latter and the thermal storage material in thermal contact with it via the heat-conducting body. Heat flows from the second thermal contact surface to the heat storage material and heats it up. The storage of heat takes place in the heat storage material as internal energy.
Die Thermogeneratorzelle wird in der nachfolgenden Nachtzeit, also nach Sonnenuntergang, weiterhin, üblicherweise ortsunverändert, einer im Vergleich zum Tag kühleren Umgebungsatmosphäre ausgesetzt. Die Temperatur der ersten Thermokontaktfläche des Peltierelements sinkt infolgedessen. Da die zweite Thermokontaktfläche mit dem während der Tagzeit aufgeheizten Wärmespeichermaterial in thermischen Kontakt steht, ist die Temperatur an der zweiten Thermokontaktfläche des Peltierelements - nach genügender Außenkühlung - höhere als die der ersten Thermokontaktfläche. Es entsteht wiederum ein nunmehr negativer Thermogradient zwischen erster und zweiter Thermokontaktfläche mit einem Temperaturgefälle, dass dem während der Aufheizperiode entgegengerichtet ist. Der sich ausbildende Wärmestrom wird im Peltierelement in elektrischen Strom gewandelt und als nutzbare Energie abgeführt.The thermogenerator cell is in the subsequent night, ie after sunset, continue exposed, usually unchanged, a cooler compared to the day ambient atmosphere. The temperature of the first thermal contact surface of the Peltier element drops as a result. Since the second thermal contact surface is in thermal contact with the heat storage material heated during the daytime, the temperature at the second thermal contact surface of the Peltier element - after sufficient external cooling - is higher than that of the first thermal contact surface. This in turn creates a now negative thermogradient between the first and second thermal contact surfaces with a temperature gradient that is opposite during the heating-up period. The forming heat flow is converted into electric current in the Peltier element and dissipated as usable energy.
Durch den Wärmestrom vom Wärmespeichermaterial über den Wärmeleitkörper, die zweite und die erste Thermokontaktfläche des Peltierelements hin zur Umgebungsatmosphäre kühlt sich das Wärmespeichermaterial während dieser nächtlichen Abkühlperiode ab.Due to the heat flow from the heat storage material via the heat conducting body, the second and the first thermal contact surface of the Peltier element towards the ambient atmosphere, the heat storage material cools during this nocturnal cooling period.
Abschließend kommt es zum Temperaturausgleich, d. h., die Temperatur des Wärmespeichermaterials entspricht der Temperatur der Umgebungsatmosphäre.Finally, it comes to temperature compensation, d. h., The temperature of the heat storage material corresponds to the temperature of the ambient atmosphere.
Mit Beginn der folgenden Tagzeit kann der beschriebene Verfahrensablauf erneut gestartet werden; dies gestattet einen kontinuierlicher Betrieb der Thermogeneratorzelle mit selbstaufladendem Energiespeicher.At the beginning of the following daytime, the procedure described can be restarted; this allows a continuous operation of the thermogenerator cell with self-charging energy storage.
Die Zwischenspeicherung der thermischen Energie während der Tagzeit im Wärmespeichermaterial ermöglicht es, die gespeicherte Energie während der folgenden Nachtzeit zur Stromproduktion zu nutzen. Da die Anlage keinen Anschluss an eine vorhandene Netzinfrastruktur erfordert, kann die Thermogeneratorzelle dezentral, also auch in unerschlossenen Gebieten, betrieben werden. Caching of the thermal energy during the daytime in the heat storage material makes it possible to use the stored energy for power generation during the following night time. Since the system does not require connection to an existing network infrastructure, the thermal generator cell can be operated decentrally, ie even in undeveloped areas.
Besonders geeignet ist die Verwendung der Thermogeneratorzelle in geografischen Lagen mit hoher Sonneneinstrahlung und ausgeprägten Temperaturdifferenzen zwischen Tag- und Nachtzeit, beispielsweise in Wüstengebieten. Für Entwicklungs- und Schwellenländern stellt sie eine Alternative zu verbrennungsmotorgetrieben Generatoren dar.Particularly suitable is the use of the thermal generator cell in geographic locations with high solar radiation and pronounced temperature differences between daytime and nighttime, for example in desert areas. For developing and emerging countries, it represents an alternative to internal combustion engine-powered generators.
Neben der auf dem Tag-Nacht-Temperaturwechsel basierenden Energiegewinnung kann die Thermogeneratorzelle generell überall dort zum Einsatz kommen, wo regelmäßige Temperaturwechsel auftreten, zum Beispiel in Transportsystemen.In addition to energy production based on day-night temperature changes, the thermal generator cell can generally be used wherever regular temperature changes occur, for example in transport systems.
Das Wärmespeichermaterial ist vorzugsweise ein formunbeständiges und volumenbeständiges Material, d. h. zum Beispiel eine Flüssigkeit, ein Pulver oder ein Gemisch derselben. Formunbeständige Materialien besitzen den Vorteil, dass sie den Raum zwischen Wärmeisolierbehälter und Wärmeleitkörper vollständig ausfüllen. Die große Kontaktfläche zwischen Wärmeleitkörper und Wärmespeichermaterial gewährleistet einen intensiven Wärmeübergang. Besonders geeignet ist Wasser als Wärmespeichermaterial, da es eine hohe Wärmekapazität besitzt; zudem kann es kostengünstig ausgetauscht oder nachgefüllt werden.The heat storage material is preferably a non-conformable and volume resistant material, i. H. for example, a liquid, a powder or a mixture thereof. Mold-resistant materials have the advantage that they completely fill the space between the heat insulating container and the heat-conducting body. The large contact surface between heat conducting body and heat storage material ensures an intensive heat transfer. Particularly suitable is water as a heat storage material, since it has a high heat capacity; In addition, it can be inexpensively replaced or refilled.
Das Wärmespeichermaterial ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ein Phasenwechselmaterial mit einem Phasenwechsel im Temperaturbereich von 10 °C bis 50 °C. Der Vorteil eines Phasenwechselmaterials besteht darin, dass infolge der partiellen Wärmespeicherung als latente Wärme die Speicherkapazität des Wärmespeichermaterials deutlich erhöht wird. Ein solches Phasenwechselmaterial kann beispielsweise im hohen Temperaturbereich als Flüssigkeit und im niedrigeren Temperaturbereich als Feststoff vorliegen.The heat storage material according to one embodiment of the invention is a phase change material with a phase change in the temperature range of 10 ° C to 50 ° C. The advantage of a phase change material is that due to the partial heat storage as latent heat, the storage capacity of the heat storage material is significantly increased. Such a phase change material may for example be present as a liquid in the high temperature range and as a solid in the lower temperature range.
Vorteilhafterweise ist der Wärmeleitkörper formschlüssig in die Öffnung des Wärmeisolierbehälters eingebracht, sodass der Wärmeisolierbehälter durch den eingesetzten Wärmeleitkörper und das darauf angebrachte Peltierelement weitestgehend verschlossen ist. Wärmeströme in oder aus dem Wärmeisolierbehälter erfolgen im Wesentlichen über das Peltierelement; Verlustwärmeströme werden vermieden bzw. verringert. Zudem wird das Austreten des Wärmespeichermaterials, zum Beispiel beim Transport der Thermogeneratorzelle, verhindert.Advantageously, the heat conducting body is positively inserted into the opening of the heat insulating, so that the heat insulating is largely closed by the heat conducting body and the Peltier element mounted thereon. Heat flows into or out of the heat insulating container take place essentially via the Peltier element; Loss heat flows are avoided or reduced. In addition, the leakage of the heat storage material, for example during transport of the thermal generator cell prevented.
Der Wärmeleitkörper kann schwimmfähig ausgeführt sein, zum Beispiel als geschlossener Hohlkörper. Dadurch taucht er beim Einsetzen in den mit einer Flüssigkeit als Wärmespeichermaterial gefüllten Wärmeisolierbehälter entsprechend seinem Auftrieb bis zu einer spezifischen Tiefe ein. Für diesen Fall, dass das Wärmespeichermaterial eine Flüssigkeit ist, wird vermieden, dass der Wärmeleitkörper auf dem Boden des Wärmeisolierbehälters aufsitzt und ausreichend Wärmespeichermaterial zwischen Wärmeisolierbehälter und Wärmeleitkörper zur Wärmespeicherung zur Verfügung steht.The heat-conducting body can be made buoyant, for example as a closed hollow body. As a result, when immersed in the heat insulating container filled with a liquid as the heat storage material, it dips up to a specific depth according to its buoyancy. For this case, that the heat storage material is a liquid, it is avoided that the heat-conducting body is seated on the bottom of the heat-insulating container and sufficient heat storage material is available between the heat-insulating container and the heat-conducting body for heat storage.
Es kann vorgesehen sein, dass die Thermogeneratorzelle ein Fotovoltaikelement aufweist, welches thermisch kontaktierend mit der ersten Thermokontaktfläche des Peltierelements verbunden ist. Durch elektrische Verbindungen des Fotovoltaikelements und des Peltierelements mit einer Steuer- und Regelungseinheit ist es möglich, die generierten Gleichströme an Verbraucher bereitzustellen. Neben der Wärmestrahlung, kann mit den kombinierten Fotovoltaik-Peltierelementen zusätzlich das Sonnenlicht zur elektrischen Energiegewinnung nutzbar gemacht werden.It can be provided that the thermal generator cell has a photovoltaic element, which is connected in a thermally contacting manner with the first thermal contact surface of the Peltier element. By electrical connections of the photovoltaic element and the Peltier element with a control and regulation unit, it is possible to provide the generated direct currents to consumers. In addition to thermal radiation, the combined photovoltaic Peltier elements can additionally make the sunlight available for the generation of electrical energy.
Eine weitere Ausführung der Erfindung umfasst eine Solaranlage mit mindestens einer erfindungsgemäßen Thermogeneratorzelle, die mittels einer Steuer- und Regelungseinheit elektrisch mit einem oder mehreren Fotovoltaikmodulen und/oder einem oder mehreren kombinierten Fotovoltaik-Thermogeneratormodulen verbunden ist. Die Vernetzung mit Modulen, die Fotovoltaikelemente enthalten, ermöglicht es, neben der zusätzlichen Wandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom, Leistungsunterschiede einzelner Module auszugleichen. Leistungsschwankungen bei der Bereitstellung der elektrischen Energie aus der Solaranlage werden dadurch reduziert.A further embodiment of the invention comprises a solar system with at least one thermal generator cell according to the invention, which is electrically connected to one or more photovoltaic modules and / or one or more combined photovoltaic thermo generator modules by means of a control and regulation unit. The networking with modules containing photovoltaic elements makes it possible, in addition to the additional conversion of sunlight into electricity, to compensate for differences in the performance of individual modules. Power fluctuations in the provision of electrical energy from the solar system are thereby reduced.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens zum Betrieb der Thermogeneratorzelle mit Wasser als Wärmespeichermaterial wird das innerhalb der Thermogeneratorzelle befindliche Wasser während der Nachtzeit kontinuierlich gegen Wasser höherer Temperatur ausgetauscht. Das Wasser kann zum Beispiel aus Solarthermieanlagen entnommen werden, in denen tagsüber Wasser aufgeheizt wird. Dadurch wird die effektive nächtliche Betriebszeit der Thermogeneratorzelle, die infolge der endlichen Speicherkapazität eines statisch implementierten Wärmespeichermaterials begrenzt ist, wirksam erhöht.In one embodiment of the method for operating the thermal generator cell with water as a heat storage material, the water contained within the thermal generator cell is continuously replaced during the night time against water of higher temperature. The water can be taken, for example, from solar thermal systems in which water is heated during the day. This effectively increases the effective nocturnal operating time of the thermal generator cell, which is limited due to the finite storage capacity of a statically implemented thermal storage material.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
-
1 : die Thermogeneratorzelle in perspektivischer Ansicht, und -
2 : die Thermogeneratorzelle mit Fotovoltaikelement in perspektivischer Ansicht.
-
1 : the thermal generator cell in perspective view, and -
2 : the thermogenerator cell with photovoltaic element in perspective view.
Das Peltierelement
In den mit dem Wärmespeichermaterial
Im Ausführungsbeispiel nach
An der Oberfläche, d. h. an der der Solarstrahlung
Während der Tagzeit erwärmt sich die Oberseite, d. h. der erste Thermokontaktfläche, des Peltierelements
Im Tagesverlauf erwärmt sich das Wärmespeichermaterial
Während der Nachtzeit sinkt - infolge der ausbleibenden Solarstrahlung
Der entgegengesetzt zur Tagzeit gerichtete Wärmefluss im Peltierelement
Infolge der wechselnden Wärmeströme im Tag-Nacht-Zyklus kann mittels der Thermogeneratorzelle bis zum jeweiligen Temperaturausgleich kontinuierlich elektrische Energie gewonnen werden.As a result of the changing heat flows in the day-night cycle can be obtained by the thermal generator cell until the respective temperature compensation continuously electrical energy.
Die Variante der Thermogeneratorzelle nach
Im Unterschied zur Thermogeneratorzelle der
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- PeltierelementPeltier element
- 22
- Wärmeleitkörperthermal conductors
- 33
- Wärmeisolierbehälterheat insulation vessel
- 44
- WärmespeichermaterialHeat storage material
- 55
- Solarstrahlungsolar radiation
- 66
- Fotovoltaikelementphotovoltaic element
- 77
- Steuerungs- und RegelungseinheitControl and regulation unit
- T1T1
- Temperatur 1Temperature 1
- T2T2
-
Temperatur 2
Temperature 2
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3619327A1 (en) | 1986-06-09 | 1987-12-10 | Volkrodt Wolfgang | Solar installation with combined photon and thermal energy conversion |
| DE3704559A1 (en) * | 1987-02-13 | 1988-08-25 | Martin Kuhles | Method and module for the generation off solar power |
| JPH05343751A (en) * | 1992-06-04 | 1993-12-24 | Aisin Seiki Co Ltd | Thermoelectric generator |
| US20030143958A1 (en) * | 2002-01-25 | 2003-07-31 | Elias J. Michael | Integrated power and cooling architecture |
| DE102011051507A1 (en) | 2011-04-21 | 2012-10-25 | Bpe E.K. | solar device |
| GB2493092A (en) | 2011-07-18 | 2013-01-23 | Esam Elsarrag | Electricity generation apparatus having a thermal store and thermoelectric heat exchanger |
| EP2606512B1 (en) * | 2010-08-20 | 2014-12-17 | Solar Real Contact GmbH | System for the generation of electricity from solar energy |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DK170125B1 (en) * | 1991-01-22 | 1995-05-29 | Yakov Safir | Solar module |
| JP2005127694A (en) * | 2003-09-29 | 2005-05-19 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Heat storage type solar panel, solar system, heat storage type solar heat pump system, and operating method for heat storage type solar heat pump system |
| WO2008060282A1 (en) * | 2006-11-17 | 2008-05-22 | General Electric Company | Thermal transfer and power generation devices and methods of making the same |
| WO2009018016A2 (en) * | 2007-07-30 | 2009-02-05 | Dow Global Technologies Inc. | Solar heat management in photovoltaic systems using phase change materials |
| JP5560610B2 (en) * | 2009-08-26 | 2014-07-30 | 富士通株式会社 | Power generation device and power generation system provided with such power generation device |
| US20110048489A1 (en) * | 2009-09-01 | 2011-03-03 | Gabriel Karim M | Combined thermoelectric/photovoltaic device for high heat flux applications and method of making the same |
| WO2012021872A2 (en) * | 2010-08-12 | 2012-02-16 | Sager Brian M | Thermoelectric stack coating for improves solar panel function |
| JP2014099510A (en) * | 2012-11-14 | 2014-05-29 | Toshiba Corp | Photovoltaic power generator |
| KR101335277B1 (en) * | 2012-12-28 | 2013-11-29 | 송영배 | Heat storaging tank used in solar heat power system, solar heat dynamo used therein and solar heat power system including the same |
| EP3157166A4 (en) * | 2014-06-13 | 2018-02-28 | Kyushu University National University Corporation | Stand-alone energy supply facility equipped with vehicle hydrogen fuel supply unit and electric vehicle charger harnessing sunlight |
-
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3619327A1 (en) | 1986-06-09 | 1987-12-10 | Volkrodt Wolfgang | Solar installation with combined photon and thermal energy conversion |
| DE3704559A1 (en) * | 1987-02-13 | 1988-08-25 | Martin Kuhles | Method and module for the generation off solar power |
| JPH05343751A (en) * | 1992-06-04 | 1993-12-24 | Aisin Seiki Co Ltd | Thermoelectric generator |
| US20030143958A1 (en) * | 2002-01-25 | 2003-07-31 | Elias J. Michael | Integrated power and cooling architecture |
| EP2606512B1 (en) * | 2010-08-20 | 2014-12-17 | Solar Real Contact GmbH | System for the generation of electricity from solar energy |
| DE102011051507A1 (en) | 2011-04-21 | 2012-10-25 | Bpe E.K. | solar device |
| GB2493092A (en) | 2011-07-18 | 2013-01-23 | Esam Elsarrag | Electricity generation apparatus having a thermal store and thermoelectric heat exchanger |
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