DE19815094A1 - Thermophotovoltaischer Generator - Google Patents

Abstract

Es wird ein TPC-Generator mit einem Brenner, mit Zuleitungen für Brennstoff (5) und Verbrennungsluft (3) zum Brenner sowie mit einer Ableitung des Verbrennungsabgases (6), mit einem den Brenner umgebenden Strahler (1) und einer oder mehreren dem Strahler (1) gegenüberliegenden Photozellen (2) vorgeschlagen. Dabei durchströmt die Verbrennungsluft (3) vor der Zuführung zum Brenner den Raum (4) zwischen Strahler (1) und Photozelle(n) (2). Dadurch werden die Wärmeverluste durch Konvektion und Leitung im Raum (4) zur Erhöhung der Strahlungsenergie genutzt.

Description

Die Erfindung betrifft einen thermophotovoltaischen Generator.

Das Prinzip der Thermophotovoltaik (im folgenden TPV genannt) beruht auf der Umwandlung von Strahlungsenergie eines zum Glühen erwärmten Kör­ pers mit Hilfe von Photozellen in elektrische Energie. Zur Erwärmung des Strahlungsenergie abgebenden Körpers, des Strahlers, kann prinzipiell jede beliebige Energiequelle verwendet werden, beispielsweise fossile Brennstoffe, radioaktive Isotope oder Sonnenenergie. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung von TPV-Generatoren, die den Strahler durch Verbren­ nungsenergie zum Glühen bringen.

Stand der Technik

TPV-Generatoren sind beispielsweise in Thermophotovoltaik Generation of Electricity: Third NREL Conference, The American Institute of Physics, 1997, Seiten 355 ff. beschrieben.

Die wichtigsten Bauelemente eines TPV-Generators sind der Strahler und mindestens eine Photozelle. Strahler und Photozelle(n) können, insbesondere durch geeignete Materialwahl bezüglich der Bandbreite der abgestrahlten bzw. konvertierbaren Strahlungsenergie bereits weitgehend gegenseitig ange­ paßt werden. Die optimalen Betriebstemperaturen sind dagegen für Strahler einerseits und Photozelle(n) andererseits extrem verschieden: entsprechend den zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien soll die Betriebstemperatur des Strahlers möglich hoch sein, da die abgegebene Strahlungsenergie bekann­ termaßen gemäß dem Stefan-Boltzmann'schen Gesetz der vierten Potenz der absoluten Temperatur proportional ist. Die Strahlertemperaturen bewegen sich üblicherweise in einem Bereich von 1500 bis 2500 K. Die Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie in Photozellen beruht dagegen auf Halblei­ tereffekten, die nur bei niedrigen Temperaturen, im allgemeinen unterhalb von 100°C, auftreten. Photozellen werden auch aus weiteren Gründen bei niedrigen Temperaturen betrieben: sie weisen temperaturempfindliche Bauteile, beispielsweise Lote, auf, und die Leerlaufspannung verkleinert sich mit steigender Temperatur, mit der Folge, daß die abgegebene Leistung sinkt. Nur der als Strahlung abgegebene Energieanteil des Strahlers kann in elek­ trische Energie konvertiert werden. Insbesondere aufgrund der hohen Tempe­ raturdifferenz findet jedoch zwischen Strahler und Photozellen auch ein Wärmeübergang durch Wärmeleitung und Konvektion statt.

Es ist bereits bekannt, diese Wärmeverluste aufgrund von Leitung und Konvektion durch Evakuieren der Vorrichtung zu reduzieren. Eine Vakuum­ abdichtung ist jedoch, insbesondere auch wegen der oben beschriebenen extremen Temperaturdifferenz zwischen Strahler und Photozellen, technisch aufwendig und kostenintensiv.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen TPV-Generator zur Verfügung zu stellen, der die Energieverluste durch Wärmeleitung und Konvektion zwi­ schen Strahler und Photozellen auffangen und nutzen kann, um die Tempera­ tur des Strahlers, und somit überwiegend die Strahlungsenergie, die allein zur Gewinnung von elektrischer Energie verwertet werden kann, zu erhöhen.

Vorteile der Erfindung

Die Lösung geht aus von einem TPV-Generator mit einem Brenner, mit Zuleitungen für Brennstoffe und Verbrennungsluft zum Brenner und Ableitun­ gen für das Verbrennungsabgas, mit einem den Brenner umgebenden Strahler sowie mit einer oder mehreren dem Strahler gegenüberliegenden Photozellen. Die Erfindung ist dann dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft vor der Zuführung zum Brenner den Raum zwischen Strahler und Photo­ zelle(n) durchströmt.

Es wurde somit gefunden, daß durch eine geeignete Führung des Verbren­ nungsluftstroms Energieverluste durch Leitung und Konvektion aufgefangen und zur Erhöhung der Strahlertemperatur genutzt werden können. Entspre­ chend dem Wien'schen Gesetz verschiebt sich das Strahlungsmaximum mit steigender Temperatur in den Bereich niedrigerer Wellenlängen, wodurch sich der Anteil der photokonvertierbaren Strahlung und somit der Wirkungsgrad der Anordnung erhöht. Energieverluste durch Leitung und Konvektion können somit im System gehalten werden.

Ein TPV-Generator gemäß der Erfindung weist als ein erstes wesentliches Bauelement einen Strahler auf, der in der Regel aus einem Metall oder keramischen Material, häufig einem oxidkeramischen Material, hergestellt ist. Da der Strahler bei hohen Temperaturen betrieben wird, muß das Strah­ lermaterial hochtemperaturbeständig und thermoschockbeständig sein. Beson­ ders wichtig ist die Materialauswahl jedoch bezüglich der Bandbreite der emittierten Strahlung, die möglichst weitgehend mit der in den Photozellen konvertierbaren Strahlung übereinstimmen muß. Dazu wurden beispielsweise sogenannte Selektivstrahler entwickelt, mit Emissionsmaxima in definierten Wellenlängenbereichen, die mit Photozellen kombiniert werden, die genau für diese Wellenlängenbereiche der Selektivstrahlung ausgelegt sind. Derartige Selektivstrahler sind beispielsweise Ytterbiumoxid oder Erbiumoxid.

Möglich ist jedoch auch die Verwendung eines schwarzen Strahlers, wobei dann zur Erzeugung selektiver Strahlung der nicht konvertierbare Strahlungs­ anteil auf den Strahler zurückreflektiert werden muß und diesen auf seinem hohen Temperaturniveau hält.

Die Strahlergeometrie ist für die vorliegende Erfindung nicht ausschlagge­ bend: bevorzugt ist die Form eines einseitig geschlossenen Zylinders. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Strahler im wesentlichen planar. Der Strahler muß gasdicht sein, um ein Austreten der Verbren­ nungsgase in den Raum zwischen Strahler und Photozellen zu vermeiden.

Der Brenner ist ein weiteres wesentliches Bauelement des erfindungsgemäßen TPV-Generators: er bringt den Strahler auf Betriebstemperatur, d. h. auf circa 1500 bis 2500 K. Der Brenner ist bevorzugt ebenfalls zylindrisch ausgestal­ tet, und zwar als beidseitig geöffneter koaxialer Zylinder innerhalb des einseitig geschlossenen zylindrischen Strahlers. Am dem offenen Strahlerende entsprechenden Ende des Brenners sind Zuleitungen für Brennstoff und Verbrennungsluft vorgesehen. Als Brennstoffe kommen sämtliche flüssigen und gasförmigen Brennstoffe in Frage. Die Verbrennungsabgase werden am der Zuleitung gegenüberliegenden Brennerende an der Innenfläche des Strah­ lers entlanggeleitet und bringen diesen, durch Abgabe von Wärmeenergie, zum Glühen. Die Verbrennungsabgase werden anschließend aus der Vor­ richtung abgeleitet und können dabei, beispielsweise durch Gegenstromfüh­ rung mit der zuzuleitenden Verbrennungsluft in einer sogenannten Rekupera­ tor-Ausführung, einen Teil ihrer Energie in Form von Wärme an die Verbrennungsluft abgeben, wobei diese Energie im System bleibt.

Als weiteres wesentliches Bauelement enthält der TPV-Generator eine oder üblicherweise eine Vielzahl von Photozellen, die dem Strahler gegenüber­ liegend angeordnet sind. Das Halbleitermaterial der Photozellen ist so ausge­ wählt, daß eine weitgehende Übereinstimmung mit dem vom Strahler abge­ strahlten Wellenbereich gewährleistet ist. Als Halbleitermaterial kommt neben Silizium vor allem Galliumantimonid, Galliumarsenid oder Germaniumsilicid in Betracht. Die Photozellen müssen gekühlt sein, wobei als Kühlmedium insbesondere Wasser oder Luft in Frage kommt. Die Kühlung ist erforder­ lich, um den durch die Halbleitereigenschaften bedingten niedrigen Betriebs­ temperaturbereich von im allgemeinen unterhalb 100°C zu gewährleisten.

Im Bereich zwischen der den Photozellen zugewandten Strahleroberfläche und den Photozellen wird erfindungsgemäß die aus der Umgebung angesaugte Verbrennungsluft vor deren Zuführung zum Brenner durchgeleitet. Dadurch werden die im Bereich zwischen Strahler und Photozellen durch Leitung und Konvektion auftretenden Wärmeverluste aufgefangen und genutzt, um die Temperatur des Strahlers zu erhöhen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es jedoch auch möglich, die Verbrennungsluft zunächst zur Kühlung der Photozellen zu nutzen und zu diesem Zweck an der dem Strahler abgewandten Seite der Photozellen entlang zu führen und erst anschließend durch den Bereich zwischen Photo­ zellen und Strahler.

Zeichnung

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung und eines Aus­ führungsbeispiels näher erläutert.

Ausführungsbeispiel

Die einzige Figur zeigt die schematische Darstellung eines TPV-Generators zylindrischer Bauart. Mit der Bezugsziffer 1 ist der zylinderförmige nach oben geschlossene Strahler bezeichnet, in dessen Innenraum der nicht darge­ stellte Brenner angeordnet ist. Dem Strahler gegenüberliegend sind auf einer inneren zylindrischen Mantelfläche Photozellen angeordnet, und zwar bevor­ zugt in der Weise, daß der gesamten Strahleroberfläche Photozellen gegen­ überliegen. Die Photozellen sind von einem Kühlmantel 7 umgeben, durch den Kühlmittel, bevorzugt Wasser, geleitet wird. Die Verbrennungsluft 3 wird in den Raum 4 zwischen Strahler 1 und Photozellen 2, bevorzugt an dem Ende des TPV-Generators, das dem geschlossenen Ende des Strahlers entspricht, angesaugt; sie durchströmt den Bereich 4 zwischen Strahler 1 und Photozellen 2, erwärmt sich dabei und wird anschließend am gegenüber­ liegenden Ende des TPV-Generators dem innerhalb des Strahlers 1 angeord­ neten nicht dargestellten Brenner zusammen mit Brennstoff zugeführt. Das Verbrennungsabgas 6 verläßt den TPV-Generator bevorzugt an dem Ende, an dem Luft- und Brennstoffzuführung angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Verbrennungsluft vor der Durchströmung des Bereichs 4 zwischen Strahler 1 und Photozellen 2 an der dem Strahler 1 abgewandten Seite der Photozellen 2 entlanggeführt werden. Dazu wird ein den TPV-Generator umhüllender, nicht dargestellter Zylindermantel vorgese­ hen.

Claims (4)

1. TPV-Generator mit einem Brenner mit Zuleitungen für Brennstoff (5) und Verbrennungsluft (3) zum Brenner sowie mit einer Ableitung für das Verbrennungsabgas (6), mit einem den Brenner umgebenden Strahler (1) und einer oder mehreren dem Strahler (1) gegenüberliegenden Photozelle(n) (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft (3) vor der Zuführung zum Brenner den Raum (4) zwischen Strahler (1) und Photozelle(n) (2) durchströmt.

2. TPV-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft (3) zunächst die dem Strahler (1) abgewandte Fläche der Photozelle(n) (2) umströmt.

3. TPV-Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Strahler (1) und Photozelle(n) (2) als konzentrische Zylinder ausgebildet sind.

4. TPV-Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Strahler (1) und Photozelle(n) (2) im wesentlichen planar ausgebildet sind.