DE102019004123A1

DE102019004123A1 - Thermischer Hybrid Transmitter mit integriertem Speicher und Fluid durchströmter Glasfaser verstärkter Basisplatte mit Wirbelelementen (TPV-S)

Info

Publication number: DE102019004123A1
Application number: DE102019004123.2A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Beck; Wolfgang Hinz; Reinhard Börnert
Original assignee: Duropan GmbH
Current assignee: Beck Wolfgang Dr Ing De
Priority date: 2019-01-11
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2020-07-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybridsystem bestehend aus mindestens einer Glasfaser verstärkten Basisplatte, welche beispielsweise die Thermovoltaik-Technologie mit der Photovoltaik-Technologie und Speichertechnologie stoff- und kraftschlüssig bzw. auch wärmeschlüssig zu einer Funktionseinheit verbindet. Die Basisplatte ist das zentrale Aufnahmeelement für alle zum System gehörenden Funktionsbaugruppen, wie Strömungskanäle mit Wirbelelementen, großflächige Abdeckplatte, flexible Leitungsebenen für elektrische Energie und Steuerung, Thermogeneratormodul, Photovoltaikmodul, elektrische Energiespeicher, Lade- und Steuerelektronik, Anschlusselemente für Medien und weitere.Die Vorderseite der Basisplatte wird für die Energieerzeugung und die Rückseite für die Energiespeicherung genutzt.

Description

Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Hybridsystem, bestehend aus mindestens einer Glasfaser verstärkten Basisplatte, welche beispielsweise die Thermovoltaik-Technologie mit der Photovoltaik-Technologie und Speichertechnologie stoff- und kraftschlüssig bzw. auch wärmeschlüssig zu einer Funktionseinheit verbindet. Die Basisplatte ist das zentrale Aufnahmeelement für alle zum System gehörenden Funktionsbaugruppen, wie Strömungskanäle mit Wirbelelementen, großflächige Abdeckplatte , flexible Leitungsebenen für elektrische Energie und Steuerung, Thermogeneratormodul, Photovoltaikmodul, elektrische Energiespeicher, Lade- und Steuerelektronik Anschlusselemente für Medien und weitere.
Stand der Technik
In der Photovoltaik-Technologie ist die Leistungseinbuße abhängig von der Modulwärme. So werden beispielsweise bei starker Wärmeinstrahlung die Module je nach Bauart und Umgebung auf 130 bis 150 Grad Celsius erwärmt. Dies führt beispielsweise bei einem 200 Watt Solarstrommodul zur Erzeugung von nur 135 Watt bei 90 Grad Celsius, (ca. 32% Leistungseinbuße) und bei 125 Grad Celsius zur Erzeugung von nur noch 100 Watt (ca. 50% Leistungseinbuße).
Im Stand der Technik wird das Problem der thermischen Überhitzung unterschiedlich gelöst. In der DE 20 2012 002 836U1 erfolgt die Kühlung über eine Wasserberieselung. Dies hat den Nachteil, dass starke Ablagerungen sich auf der Oberfläche durch die Verdunstung bilden. In der DE 10 2008 027 000 A1 erfolgt die Kühlung über einen wärmeableitenden Kunststoff auf der Modulrückseite. Die Beschreibung in DE 20 2009 003 904 U1 geht von einem dezentral gesteuerten Kühlsystem aus, welches sequentiell die Wärme abführt. In der DE 20 2010 017772 U1 wird der Herstellungsprozess einer Leiterplatte mit Kühlfluidkanal beschrieben.
In der DE 10 2007 055 937 A1 wird ein thermischer Transmitter zur direkten Umwandlung von Wärmenergie in elektrische Energie, durch die Herstellung einer Kunststoffoberfläche mit einem extrem hohen Adsorptionsvermögen für Wärmeenergie, insbesondere der Infrarotstrahlung beschrieben.
Der thermische Transmitter besteht aus den Schichten des thermischen Akkumulators, den thermischen Generatoren, gefolgt von dem thermischen Diffusor und einer Kältequelle. Der thermische Akkumulator besteht aus einer mit halbleitenden Partikeln dotierten Polymermatrix und stellt die Funktion des thermischen Kopplers und thermischen Leiter sicher. Die thermische Kopplung linnerhalb der Polymermatrix erfolgt mit IR-absorbierenden Pigmenten (n- oder p-leitend und/oder dotiert) und/oder ähnlichen nanoskaligen, kristallinen Werkstoffen, welcher eine starke Adsorption infraroter Strahlung im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1500 nm ermöglichen. Der thermische Leiter hat die Aufgabe die Wärmeleitung innerhalb der Polymermatrix sicherzustellen und wird erzeugt mittels Carbon-Nanotubes (CNT), Carbon-Nanohörnchen (CNH) bzw. Carbon-Nanofasern. Der thermische Diffuser dient dabei zur Erzeugung des Temperaturgefälle.
Unter dem Namen „Thermische Photovoltaik-Zellen“ werden hier Zellen auf Basis von InP oder GaSb verstanden, die aus dem Sonnenlicht die Wärmestrahlung (Licht wesentlich höherer Wellenlänge) verwerten. Der Wirkungsgrad wurde dabei auf (9 - )12) % gesteigert. In der Offenlegung DE 2015 0007 236 A1 wird ein System auf der Basis von Prepregs aus der Leiterplattentechnik beschrieben. Die Wärmekopplung erfolgt über sogenannte Inlays, welche in die Leiterplatte stoffschlüssig eingelegt werden.
US 2012/0192920 A1 beschreibt ein System von mehreren Schichten bestehend aus Pv- und thermoelektrischen Schichten. Thermische Ausdehnungskoeffizienten werden nicht berücksichtigt.
Nachteil des Stands der Technik
Allen Systemen gemeinsam ist, dass die Wärmeenergie mit unterschiedlicher Wirkung abgeführt wird und diese eingesammelte Wärmeenergie ohne oder mit nur geringer weiterer Nutzung vernichtet wird. Insbesondere die starke Wärmebelastung führt zu einem dramatischen Wirkungsgradverlust bei den Solarmodulen. Der Gradient kann bis zu 0,5%/K betragen. Die Darstellungen basieren nur auf Silizium als Photovoltaikmaterial.
Unbekannt sind bei allen Lösungen der Einsatz von integrierten Energiespeichern mit Ladeelektronik.
Insbesondere die beschriebene Lösung in DE 2015 0007 236 A1 weist diverse Nachteile auf. Durch die Nutzung der Leiterplattentechnologie entstehen enorme Fertigungskosten. Durch die beschriebene Inlay-Technologie wird kein homogener Wärmeaustausch in der Ebene zugelassen, so dass parasitäre Wärmeströme entstehen. Unbekannt sind integrierte Verwirbelungseinheiten im Kanalsystem.
Die Lösung ist für eine Massen- du Serienfertigung nicht geeignet. Auch die in der Schutzschrift dargelegten Verfahren der Thermoplastnutzung scheiden aus Toleranzgründen, mangelnder Formstabilität und Materialunverträglichkeiten aus.
Die laminaren Strömungen im Kanalsystem behindern den Wärmeaustausch.
Ein weiterer Nachteil aller Lösungen ist die Notwendigkeit zusätzlicher Anlagetechnik und/oder technologischer Ausrüstung für die Applikation und das Betreiben zusätzlicher Kühleinrichtungen. All diese Nachteile werden in dem neuen Thermophotovoltaik-System (TPV-S) durch eine neuartige technische Lösung kompensiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, dass den Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert und eine autarke Energieversorgung sicherstellt. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und den besonderen Ausführungsformen in den Unteransprüchen gelöst. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, sowie aus der Beschreibung und Figuren.
Darstellung der Erfindung
Die zugrundeliegende Idee der Erfindung ist, dass das Thermophotovoltaik-System auf einer fluiddurchströmten, Glasfaser verstärkten Basisplatte basiert. Diese Basisplatte beinhaltet auf der einen Seite ein oberflächenmetallisiertes Kapillarnetzsystem, beispielhaft nach dem Tichelmann-Prinzip. Dieses Kapillarnetzsystem wird mit einer extrem dünnen Metallplatte kleiner 0,4 mm (Edelstahl, Kupfer, Gold, etc.) verschlossen und mit einer dünnen flexiblen Leiterplatte, zur Herstellung der elektrischen Verbindungen und für die Aufnahme von Thermogeneratoren, stoffschlüssig verbunden.
Die Metallplatte bildet den homogenen Verbund, insbesondere die unmittelbare stoffliche Kontaktfläche zur Thermogeneratoren-Ebene (TEG), alternativ auch direkt zum Photovoltaikmodul.
Die Thermogeneratoren-Ebene wird auch als thermische Barriere bezeichnet, weil sie die Heißseite von der Kaltseite der Thermogeneratoren-Ebene trennt. Um sicher zu stellen, dass der Wärmefluss ausschließlich durch die Generatoren (TEG) erfolgt, werden die bei der Montage der Generatoren auftretenden Zwischenräume mit einer Stofflichkeit, welche einen sehr hohen thermischen Widerstand besitzt, beispielweise Kunststoff und/oder Harz mit Wärme schlecht leitenden Füllstoffen vergossen.
Auf der anderen Seite der Basisplatte sind die Aufnahmen für den elektrischen Speicher, die Lade- und Steuerelektronik und die Anschlüsse für die Medien angeordnet. Auch diese Seite wird kraftschlüssig mit einer Metallplatte verschlossen, so dass ein Verbund entsteht.
Unter Verbund wird hier die Verbindung nach dem physikalischen Wirkprinzipien, - stoffschlüssig, formschlüssig, kraftschlüssig und deren Kombination verstanden.
Das Anwendungssystem, besteht aus mindestens einer fluiddurchströmten Glasfaser verstärkten Basisplatte, welche auf der einen Seite mit Kapillaren nach dem Tichelmann-Prinzip, ausgestattet ist. Das Kapillarsystem enthält interne Verwirbelungseinheiten und wird durch zugehörige Fluidanschlusselemente komplettiert.
Die Verwirbelungseinheiten werden im Fertigungsprozess erzeugt und sorgen für turbulente Strömungsverhältnisse.
Die Verwirbelungselemente sind kleine, unregelmäßig angeordnete Erhöhungen im Strömungskanal des Kapillarnetzes (1)
Das Tichelmann-Prinzip und die Funktionalität bestehen darin, dass das durchfließende Fluid z.B. Wasser bzw. Kälte- und/oder Wärmeträgermittel überall die gleiche Strecken/Leitungslänge zurücklegen muss.
Das Anwendungssystem bestehend beispielhaft aus mindestens einer Glasfaser verstärkten fluiddurchströmten Basisplatte, die für die Montage der Bauelemente auf der Kanalsystemseite mit einer Metallplatte stoffschlüssig abgedeckt ist und somit einen optimalen Wärmefluss zwischen Kapillarsystem und den TEG sichert.
Das Kapillarnetz der Basisplatte einschließlich der Verwirbelungselemente wird mit einem galvanischen Überzug inert ausgeführt, so dass Ablagerungen im System nicht entstehen können und das Fluid nicht verunreinigt wird.
Die andere Seite der Glasfaser verstärkten fluiddurchströmten Basisplatte ist als Aufnahmevorrichtung für die elektrischen Speichermedien ausgestaltet.
Mögliche Herstellungsverfahren der Basisplatte sind, duroplastische Massenfertigungsverfahren wie SMS/BMC-Verfahren. Insbesondere der hohe Glasfaseranteil sorgt für stabile Ausdehnungsverhältnisse und Formstabilität.
Die Rückseite der Basisplatte kann die Speichereinheiten aufnehmen. Bevorzugt werden unbrennbare Li-Speicher mit hoher Ladezyklenzahl und großer Kapazität.
Das in der Basisplatte integrierte Kühlsystem sorgt für ein sicheres Wärmemanagement beim Laden und Entladen der Li-Speicher (Li)
Die integrierte Ladeelektronik sichert das Speichermanagement und die autarke Funktion des Moduls.
Nach Montage aller Teilbaugruppen der Basisplatte, erfolgt die Montage der Solarmodule. Hierfür wird ein bioresistenter Zweikomponenten Klebstoff, beispielsweise auf der Basis von Polyharnstoff, verwendet.
Die Zuführung des Kühlmediums erfolgt auf der Rückseite der Basisplatte über einen speziellen Fitting, welcher Silberionen freisetzen kann. Diese Silberionen sorgen dauerhaft für ein keimfreies Kühlmedium.
Die Abführung der gewonnenen Elektroenergie erfolgt ebenfalls auf der Rückseite der Basisplatte.
Beschreibung der Abbildungen und Zeichnungen
In der Beschreibung und Zeichnungen sind bevorzugte Ausführungsformen dargestellt, wobei die Erfindung aber selbstverständlich nicht auf die genauen Anordnungen und Verfahren, Zusammensetzungen, Instrumentalisierung beschränkt 5 ist.
Die Figuren haben folgenden Inhalt:

• 1 zeigt die erfinderische Lösung. (Querschnittszeichnung)
• 2 zeigt die Leistungsverluste. (Solargradient)
• 3 zeigt die Ausführungsform des Fittings für Silberionenemission

1:

zeigt die erfinderische Lösung, bestehend aus mindestens einem Thermophotovoltaik - System, bestehend aus einer fluiddurchströmten Glasfaser verstärkten Basisplatte (BA) auf deren Vorderseite, mit Abdeckplatte 1, elektrischer Leitungsebene, mit/oder ohne Thermogeneratoren (TEG), PV-Solarmodul (PV), welches mit einem wärmeleitenden und bioresistenten Zwei-Komponenten-Klebstoff kraft- und stoffschlüssig verbunden ist. Die Rückseite der Basisplatte wird nach der Integration der elektrischen Speicher mit der Abdeckplatte 2 verschlossen.

2:

Zeigt die möglichen Leistungsverluste aufgrund erhöhter Zelltemperatur.

Die nominalen Leistungsangaben von PV-Systemen (PV) basiert auf einer Bezugspunkttemperatur von 25 Grad Celsius.
Eine Temperatursenkung von 10 Kelvin am Photovoltaik-System (PV) führt zu einem elektrischen Energiegewinn von ca. 5 Prozent.
3 zeigt eine möglich Ausführungsform des Fittings, mit Vorrichtung für die Silberionenemission.
Der Fitting für Abgabe von Silberionen ist als Einleger in der Basisplatte konzipiert und emittiert durch Berührung mit dem Fluid Silberionen in den Kühlkreislauf
Gewerbliche Anwendbarkeit
Wärmeenergie ist eine sehr große natürliche und technisch erzeugte Energiequelle und eine bedeutende Reserve für die Umwandlung in andere Energieformen. Für die direkte Umwandlung von Wärmenergie in elektrische Energie kennt die Technik den Seebeck-Effekt, bzw. den hierauf begründeten Thermogenerator (TEG). Als natürliche Energiequelle steht die Sonne zur Verfügung, welche gemäß Solarkonstante mit ca. 1,37 kW/m² auf die Erde einstrahlt. Ca. 50% dieser Energie ist IR-Strahlung, also Wärmeenergie. Als technisch erzeugte Wärmenergie zählen die Wärmemengen, die aus Energieumwandlungsprozessen frei werden. Diese beträgt ebenfalls ca. 50% des weltweite Energieverbrauchs.
Anwendung findet die Erfindung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren, in dem wichtigen Anwendungsgebiet der Kühlung von Solarzellen, bei gleichzeitiger Nutzung des IR-Spektrums der Sonnenenergie für den Aufbau von autarken Energieversorgungen. Wie bereits dargelegt, ist die Wärmeenergie eine störende Energieform bei der solaren Nutzung der Sonnenenergie.
Anwendung findet die Erfindung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren auch beispielhaft in der Metallindustrie, bei Kraftwerken, in der Chemischen Industrie, bei der Energieerzeugung, bei Motoren und Triebwerke, im Flugzeugbau, sowie in der Glas- und Keramikindustrie, um einige wichtige Abwärmeproduzenten zu nennen
Bezugszeichenliste

AP -: Abdeckplatte
BA -: Basisplatte
FI -: Fitting als Silberionenspender
IR -: Infrarotspektrum
Li -: Speicherelement
PV -: Solarmodul
SK -: Strömungskanal
SL -: Sonnenlicht
SMC/BMC -: Fertigungsverfahren
TEG -: Thermogenerator
TVP-S -: Thermophotovoltaiksystem mit integriertem Speicher
VE -: Verwirbelungselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202012002836 U1 [0003]
DE 102008027000 A1 [0003]
DE 202009003904 U1 [0003]
DE 202010017772 U1 [0003]
DE 102007055937 A1 [0004]
DE 20150007236 A1 [0006, 0009]
US 2012/0192920 A1 [0007]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung und Speicherung von elektrischer Energie mittels eines Verbundes von gekühlten photovoltaischen- und thermoelektrischen Modulen (PV + TEG), die wärmeleitend mit einer Glasfaser verstärkten fluiddurchströmten Basisplatte (BA) stoff- und kraftschlüssig verbunden sind, wobei sich auf der Rückseite der fluiddurchströmten Basisplatte (BA) eine Vorrichtung zur Aufnahme von mindestens einem elektrischen Speichermedium inklusive der elektronischen Steuer- und Lademodule befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Glasfaser verstärkten Basisplatte ausgebildete Kanalsystem an der Oberfläche metallisiert ist, sodass ein wärmeleitender Kontakt zur Abdeckplatte hergestellt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die fluiddurchströmte Basisplatte (BA) zur Realisierung der wärmeleitenden und elektrischen Funktionen an der Oberfläche einen Verbund aus einer extrem dünnen Metallplatte und einer flexiblen strukturierten Leiterplatte aufweist und dass elektrische Leiterbahnen der Leiterplatte mit zumindest einen Thermogenerator (TEG) elektrisch verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein photovoltaisches Modul (PV) und mindestens ein thermoelektrisches Modul als Teil eines einheitlichen Verbundes mittels stoff- und kraftschlüssiger und elektrisch leitender Verbindung ausgebildet ist und direkten wärmeleitenden Kontakt zur Basisplatte (BA) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Basisplatte (BA) mehrere Strömungskanäle (SK) ausgebildet sind, die nach dem Tichelmann-Prinzip angeordnet sind und in unregelmäßigen Abständen Verwirbelungselemente (VE) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeverbindung aus bioresistenten, UV - beständigen und wärmeleitenden Klebstoff besteht, der thermisch oder chemisch vernetzt wird. Bevorzugt werden hier aminofunktionelle Reaktionssysteme, die entsprechend modifizierbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite der Basisplatte (BA) als Aufnahmevorrichtung für elektrische Speicher ausgebildet ist und dabei das Wärmemanagement bei der Speichernutzung sicherstellt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rückseite der Basisplatte (BA) mindestens ein Silberionen emittierender Fitting angebracht ist, der für die Keimfreiheit des Kühlmittels sorgt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Ladeelektronik auf der Rückseite der Basisplatte integriert ist.