DE19725023A1 - Verfahren zur komplexen Energieumwandlung gebündelter Sonnenstrahlen und Vorrichtung zu dessen Verwirklichung - Google Patents
Verfahren zur komplexen Energieumwandlung gebündelter Sonnenstrahlen und Vorrichtung zu dessen VerwirklichungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Heliotechnik und betrifft
im Grunde Verfahren zur komplexen Energiewandlung gebündelter
Sonnenstrahlen und kann in Solarstationen zur kombinierten
Erzeugung von elektrischer und Wärmeenergie sowohl auf der
Erde als auch im Kosmos benutzt werden. Bekannt ist ein
Verfahren zur komplexen Energiewandlung, das darin besteht,
daß man gebündelte Sonnenstrahlung auf Fotowandler richtet
und danach die Wandlung seiner Energie in elektrische und
Wärmeenergie folgt (M.G. Wergijew, X.K. Aripow, W.D. Romjanzew
Verdampfungssysteme der Wärmeableitung von
solarfotoelektrischen Energieumwandlern. "Heliotechnik", 1982,
Nr. 3, Seite 14-18). Dieses Verfahren, das als Prototyp
gewählt wurde, basiert auf einem energetischen Modul, der
einen Konzentrator enthält, der in seinem Fokus (Brennpunkt)
einen Fotowandler auf der Grundlage von Solarelementen und
Mittel zur Wärmeableitung enthält.
Die bekannte Vorrichtung zum Sammeln und Wandeln von Energie
gebündelter Sonnenstrahlung (JP-A-1/51225, MKI4 F24j2/2/06,
veröffentlicht ISM, in 99, Nr. 9, 1987, Seite 59), die als
Prototyp gewählt ist, beinhaltet eine hohle Lichtschleuse mit
einem Fenster und einem System, das die Solarenergie bündelt
und durch das Fenster in die Lichtschleuse leitet, deren
Innenfläche einen Spiegelbelag hat, die eine vielfache
Spiegelung der Solarstrahlung gewährleistet, und ein System
zur Wärmeableitung.
Der Nachteil des bekannten Verfahrens und der bekannten
Vorrichtung besteht darin, daß die komplexe Energiewandlung
der gebündelten Sonnenstrahlung in elektrische
Hochtemperaturwärmeenergie unmöglich ist. Dies ist dadurch
bedingt, daß das System zur Wärmeableitung kompliziert und
sperrig ist; außerdem kann man mit der Variante mit aktivem
Wärmeableiter nur potentiell niedrige Wärme erhalten, weil die
Arbeitstemperatur des Fotowandlers, von welchem man die
Wärmebelastung abnimmt, 60° für Solarelemente aus Silizium
oder 80° für Elemente aus Gallium-Arsenit nicht überschreiten
darf.
Vorliegende Erfindung löst die Aufgabe der kombinierten
Erzeugung von Elektro- und Hochtemperaturwärmeenergie.
Dies wird dadurch erreicht, daß man beim Verfahren der
komplexen Energiewandlung der gebündelten Sonnenstrahlung
auf dem Fotowandler und folgender Umwandlung seiner Energie in
elektrische und Wärmeenergie vor der Zufuhr in den Fotowandler
den Kurzwellenteil des Spektrums der gebündelten
Sonnenstrahlung in Hochtemperaturwärmeenergie mittels
vielfacher Spiegelung und Absorbtion auf der inneren
Oberfläche der Lichtschleuse mit selektiver Beschichtung
umwandelt, den sichtbaren Teil des Spektrums in elektrische
Energie mit Hilfe fotoelektrischer Wandler umwandelt, und den
restlichen, vorzugsweise infraroten Teil des Spektrums in
Wärmeenergie mittels Absorbtion der selektiven Beschichtung
des Stirnteils der Lichtschleuse umwandelt.
Dies wird auch dadurch erreicht, daß in der bekannten
Vorrichtung für die komplexe Umwandlung der gebündelten
Sonnenstrahlung, welche das gebündelte System beinhaltet, eine
Lichtschleuse mit Eingangsfenster, die eine
Spiegelbeschichtung und das Wärmeableitungssystem aufweist,
das Eingangsfenster sich im unteren Teil der
Metalllichtschleuse befindet; die Lichtschleuse beinhaltet
zusätzlich einen fotoelektrischen Wandler in der Art einer
Kette von Solarelementen, die unter einem Winkel zueinander
angeordnet sind; der Fotowandler ist entlang der optischen
Achse der Lichtschleuse angeordnet, wobei die Oberfläche der
Seiten der Lichtschleuse mit einer selektiven Spiegelschicht
bedeckt ist, welche den kurzwelligen Teil des Spektrums der
gebündelten Sonnenstrahlung absorbiert, und das Stirnteil ist
mit einer selektiven Schicht bedeckt, welche die Energie von
beliebiger Wellenlänge gut absorbiert.
Die von uns vorgeschlagene Vorrichtung erlaubt die komplexe
Energiewandlung von gebündelter Sonnenstrahlung in elektrische
und Hochtemperaturwärmeenergie und gewährleistet die maximale
Verwertung der Sonnenwärme. Dies läßt die Schlußfolgerung zu,
daß die Patentanmeldungen untereinander durch eine
einheitliche Erfindungsidee verbunden sind.
Die vorliegende Erfindung wird mit Hilfe einer Vorrichtung
realisiert, die in Fig. 1 dargestellt ist und einen Parabol-
Konzentrator I für die Sonnenenergie und einen
fotoelektrischen Wandler (FEW) in der Art einer Kette von
Solarelementen 2, die unter einem Winkel zueinander angeordnet
sind und die sich entlang der optischen Achse der
zylindrischen Metalllichtschleuse 3 ohne Wärmekontakt mit ihr
befinden, enthält. Die Vorrichtung weist ein
Wärmeableitungssystem mittels eines flüssigen oder gasförmigen
Hochtemperaturwärmeträgers, der von der Umwelt durch eine
Wärmeisolierschicht getrennt ist, auf.
In Fig. 2 ist die zweite Variante der Vorrichtung
dargestellt, die ebenso eine parabol-zylindrischen
Konzentrator I und einen FEW in der Art von Solarelementen 2
enthält, die sich auf einer oder beiden Oberflächen der
flachen Metalllichtschleuse 3 ohne Wärmekontakt mit ihr
befinden.
Die Vorrichtung hat ein System zur Wärmeableitung 4 und
Wärmeisolation 5.
In beiden Varianten der Vorrichtung ist die innere
Seitenoberfläche der Metalllichtschleuse 3 vom Eingangsfenster
bis zum Ende der Kette des FEW mit einer selektiven
Spiegelschicht bedeckt, die vorzugsweise den kurzwelligen
Spektrumteil der konzentrierten Sonnenstrahlung absorbiert,
und der Stirnteil 7 der Lichtschleuse 3 ist zum Beispiel mit
einer elektro-chemisch sedimentierten Schicht aus "schwarzem
Nickel" oder anderem Stoff bedeckt, der stabile optische
Merkmale während der Einwirkung der Sonnenstrahlung, der
Feuchtigkeit und Temperaturen bis zu mehreren 100° hat und die
Energie beliebiger Wellenlänge gut absorbiert.
Das Verfahren der komplexen Energiewandlung gebündelter
Strahlung wird mittels vorgeschlagener Vorrichtung (unabhängig
von Modifikationen) auf folgende Weise verwirklicht. Die
Sonnenstrahlung wird mit Hilfe des Konzentrators I im
Zentralteil des Eingangsfensters der Metalllichtschleuse 3
gebündelt. Die vielfache Spiegelung durch die selektive
Spiegelbeschichtung 6 führt zur vorzugsweisen Absorbtion von
Photonen des kurzwelligen Spektrumsteils, das heißt zur
Umwandlung deren Energie in Wärme. Die Photonen des sichtbaren
und infraroten Wellenbereichs, von der Beschichtung 6
praktisch ohne Verlust reflektiert, erreichen die empfindliche
Oberfläche des FEW 2, wo die Photonen, die dem Bereich der
spektralen Empfindlichkeit des FEW entsprechen, einen
elektrischen Strom erzeugen, und die Photonen, die von der
Oberfläche des FEW reflektiert werden, werden in der
selektiven Schicht 7 absorbiert, das heißt, sie bilden einen
zusätzlichen Beitrag zur Hochtemperaturwärmeenergie, die von
der Vorrichtung erzeugt und von der Lichtschleuse mit Hilfe
des Wärmeträgers abgeführt wird.
Hier ein Beispiel, welches das Wesen des vorliegenden
Verfahrens und der Vorrichtung illustriert.
Die Sonnenstrahlung (Strömungsdichte 0,8 KW pro m2) wurde auf
der Oberfläche des fotoelektronischen Wandlers aus
Siliziummonokristall (Größe der Oberfläche SFEW = 270 mm2)
mittels eines parabolartigen Konzentrators aus Glas mit
reflektierender Aluminiumbeschichtung (Fläche des
Konzentrators SKonz = 0,25 m2) gesammelt, der Kurzschlußstrom
IKS, der dabei von FEW erzeugt wurde, sinkt stark wegen der
Erwärmung des FEW durch gebündelte Sonnenstrahlung.
Der momentane (maximale) Kurzschlußstromwert beträgt IKS = 150
mA.
Im zweiten Abschnitt des Experiment s war zwischen dem
Konzentrator und der FEW eine zylindrische Lichtschleuse aus
rostfreiem Stahl mit polierten Innenflächen mit einer Länge
von 370 mm, einem inneren Durchmesser von 40 mm und einer
Wandstärke von 2 mm angeordnet und durch drei Schichten
Glaswatte isoliert.
Dabei erzeugte der FEW einen Strom von gleichem Wert IKS = 150
mA, aber es wurde keine Temperaturverringerung beobachtet. Die
Temperatur der Lichtschleuse, die keinen Wärmekontakt mit dem
FEW hatte, erreichte 200°. Die Temperatur wurde mit Hilfe
eines Platinthermometers TP033/03 gemessen.
Die angeführten Resultate zeigen, daß das beschriebene
Verfahren und die Vorrichtung die komplexe Wandlung von
Energie in Elektrizität und Hochtemperaturwärme verwirklichen
können.
Die physikalische Basis des vorgeschlagenen Verfahrens ist der
nichtlineare Charakter der spektralen Abhängigkeit des
Reflektionsfaktors des Lichtes von der Metalloberfläche (Fig.
3). Die intensive Absorbtion der Photonen des
UV-Wellenbereichs, die man für Spiegeloberflächen aus Silber
(Kurve 1), Kupfer (Kurve 2) oder Stahl (Kurve 3) beobachtet,
erlaubt aus dem Spektrum der Sonnenstrahlung diejenigen
Photonen auszuschließen, deren Energie hv die Breite der
verbotenen Zone des Halbleiters Eg überschreitet. Dank des
Ausschlusses der Kurzwellenphotonen, deren Anteil etwa 33% im
Spektrum der Sonnenstrahlung einnimmt, noch bevor sie auf die
empfindliche Oberfläche des FEW gelangt, nimmt der
Energieüberschuß (hv - Eg) an der fotoelektrischen Umwandlung
nicht teil, sondern sondert sich im FEW als Wärme ab; außerdem
führen die Photonen des UV-Wellenbereichs zur
Strahlungsverringerung des FEW.
Auf diese Weise wird praktisch die vollständige Verwertung der
Sonnenenergie verwirklicht, wobei die eine Hälfte dieser
Energie in Elektrizität und die andere Hälfte in
hochpotentielle Wärme (200°-400°) umgewandelt wird, was
wesentlich die Effektivität der Verwertungsprozesse der
Wärmeenergie oder ihre Umwandlung in andere Energiearten im
Vergleich zum Prototyp erhöht. Außerdem schafft die vielfache
Reflektion in der Lichtschleuse eine gleichmäßige Beleuchtung
der empfindlichen Oberfläche des FEW. Die Verschiebung des
Brennpunktes des Sonnenstrahlungskonzentrators im Bereich der
Lichtschleusenapperatur verändert die Bedingungen der
Beleuchtung des FEW praktisch nicht und folglich entfällt die
Notwendigkeit von genauen, teuren und zuverlässigen
Steuerungs- und Sonnenbeobachtungssystemen.
Claims (2)
1. Verfahren zur komplexen Umwandlung gebündelter
Sonnenstrahlungsenergie, welches darin besteht, daß die
gebündelte Sonnenstrahlung auf einen fotoelektrischen
Wandler gelenkt wird und danach die Umwandlung seiner
Energie in elektrische und Wärmeenergie erfolgt, dadurch
gekennzeichnet, daß vor der Lenkung der Energie auf den
FEW der Kurzwellenteil des Spektrums der gebündelten
Sonnenstrahlung durch vielfache Reflektion und Absorbtion
an der inneren Oberfläche der Lichtschleuse mit
selektiver Beschichtung in Hochtemperaturwärmeenergie
umgewandelt wird, und der sichtbare Teil des Spektrums
mit Hilfe des fotoelektrischen Wandlers in elektrische
Energie umgewandelt wird, und der restliche, vorzugsweise
infrarote Teil des Spektrums, durch Absorbtion mit Hilfe
der selektiven Beschichtung des Vorderteils der
Lichtschleuse in Wärmeenergie umgewandelt wird.
2. Vorrichtung zur komplexen Umwandlung gebündelter
Sonnenstrahlungsenergie, die ein Bündelungssystem, eine
Lichtschleuse mit Eingangsfenster, die eine
Spiegelbeschichtung aufweist, und ein
Wärmeableitungssystem enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß das Eingangsfenster sich im unteren Teil der
Metalllichtschleuse befindet, die zusätzlich einen
fotoelektrischen Wandler in der Art einer Kette von
Solarelementen enthält, die in einem Winkel zueinander
angeordnet sind, wobei der fotoelektrische Wandler
entlang der optischen Achse der Lichtschleuse angeordnet
ist, wobei die Seitenfläche der Lichtschleuse mit einer
reflektierenden Spiegelschicht bedeckt ist, welche den
kurzwelligen Teil des Spektrums der gebündelten
Sonnenstrahlung absorbiert, und das Vorderteil mit einer
selektiven Schicht, die die Energie beliebiger
Wellenlänge gut absorbiert, bedeckt ist.
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