DE202009006442U1

DE202009006442U1 - Solaranlage zur Erzeugung elektrischer und thermischer Energie

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Publication number: DE202009006442U1
Application number: DE200920006442
Authority: DE
Original assignee: Zimmer Inc
Current assignee: Zimmer Inc
Priority date: 2009-05-02
Filing date: 2009-05-02
Publication date: 2009-07-23
Anticipated expiration: 2019-05-03
Also published as: WO2010127661A2; WO2010127661A3; DE112010001877A5

Abstract

Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische und thermische Energie, insbesondere Solaranlage, mit wenigstens einem Solarkollektor, welcher zumindest eine Vielzahl von Strom erzeugenden Solarzellen aufweist, wobei mindestens Bereiche der Solarzellen mit wenigstens einer ein Wärmeaufnahmemedium führenden Wärmeabführleitung zur Ausbildung mindestens eines ersten Wärmeabsorptions-Kreislaufes wärmeleitend verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeder Solarzelle (5, 6) auf ihrer Strahlungseinfallfläche mindestens ein Strahlungsbündler (7, 7') mit einer trichterförmigen Reflexionsfläche (10) zugeordnet ist, und
dass auf der abgewandten Seite der die Strahlung zumindest teilweise reflektierenden Reflexionsfläche (10) jedes Strahlungsbündlers (7, 7') ein Wärmeabsorptionsmedium angeordnet ist, welches Teil eines zweiten Wärmeabsorptions-Kreislaufes (23) ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische und thermische Energie, insbesondere Solaranlage, mit wenigstens einem Solarkollektor, welcher zumindest eine Vielzahl von Strom erzeugenden Solarzellen aufweist, wobei mindestens Bereiche der Solarzellen mit wenigstens einer ein Wärmeaufnahmemedium führenden Wärmeabführleitung zur Ausbildung mindestens eines ersten Wärmeabsorptions-Kreislaufes wärmeleitend verbunden sind.
Vorrichtungen bekannter Gattung sind beispielsweise Solaranlagen mit so genannten Hybridkollektoren, welche insbesondere zur Umwandlung der in die Atmosphäre eintretenden Sonnen- bzw. Solarenergie in elektrische und thermische Energie eingesetzt werden. Hybridkollektoren finden hauptsächlich in den Bereichen Anwendung, wo beide Energieformen über das ganze Jahr dauerhaft benötigt werden.
Derartige Solaranlagen umfassen dazu mindestens einen häufig als Flachkollektor ausgebildeten Solarkollektor, der eine Vielzahl von in einer Ebene nebeneinander angeordneten Solarzellen aufweist. Die dabei in vorgegebener Weise untereinander verschalteten, Strom erzeugenden Solarzellen sind in der Regel mit ihrer der Strahlungseinfallfläche abgewandten Rückseite mit wenigstens einem ein Wärmeaufnahmemedium führenden Rohrleitungssystem wärmeleitend verbunden. Mit Hilfe eines solchen Wärmeabsorptions-Kreislaufes wird die aufgrund der Sonneneinstrahlung innerhalb des Solarkollektors entstehende Wärme von den Solarzellen abgeführt, wodurch gleichzeitig deren Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung verbessert ist. Die zusätzlich gewonnene Wärme kann einem Warmwassertank zur Erwärmung des für den täglichen Bedarf genutzten Brauchwassers zugeführt werden. Vorrichtungen der vorbezeichneten Gattung haben jedoch den Nachteil, dass über die auf der Rückseite der Solarzellen angeordneten Rohrleitungen die entstehende Wärmeenergie nicht im erforderlichen Maße abgeführt werden kann. Demzufolge lässt sich die Temperatur an den Solarzellen nur unzureichend absenken, was sich somit nachteilig auf den stets mit steigender Temperatur abfallenden Wirkungsgrad der Solarzellen auswirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der vorbezeichneten Gattung dahingehend zu verbessern, dass der mittels der Solarzellen umgewandelte Anteil an Solarstrahlung in elektrische Energie erhöht und dabei die Solarzellen dauerhaft auf einem optimalen Temperaturniveau gehalten werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 9 angegeben.
Bei einer Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische und thermische Energie, insbesondere Solaranlage mit wenigstens einem Solarkollektor, welcher zumindest eine Vielzahl von Strom erzeugenden Solarzellen aufweist, wobei mindestens Bereiche der Solarzellen mit wenigstens einer ein Wärmeaufnahmemedium führenden Wärmeabführleitung zur Ausbildung mindestens eines ersten Wärmeabsorptions-Kreislaufes wärmeleitend verbunden sind, ist nach der Erfindung vorgesehen, dass jeder Solarzelle auf ihrer Strahlungseinfallfläche mindestens ein Strahlungsbündler mit einer trichterförmigen Reflexionsfläche zugeordnet ist, und dass auf der abgewandten Seite der die Strahlung zumindest teilweise reflektierenden Reflexionsfläche jedes Strahlungsbündlers ein Wärmeabsorptionsmedium angeordnet ist, welches Teil eines zweiten Wärmeabsorptions-Kreislaufes ist.
Mit Hilfe einer derartig erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung zur Umwandlung der Sonnenenergie in wirtschaftlich nutzbare Energieformen, wie zum Beispiel elektrische und thermische Energie, ist durch die Strahlungsbündler auf der Strahlungseinfallfläche jeder Solarzelle eine Konzentration der Solarstrahlung erzielt, wodurch mit Vorteil die Menge an erzeugter elektrischer Energie pro Flächeneinheit vorhandener Solarzellen vergrößert wird. Dadurch kann bei einer entsprechend gleichbleibenden Solarzellenfläche eine größere Menge an elektrischer Energie erzeugt werden, wodurch die Kosten für die Herstellung eines derartig erfindungsgemäßen Solarkollektors, welche hauptsächlich durch die aufwendig herzustellen Solarzellen bestimmt werden, pro erzeugter Kilowattstunde sinken. Gleichzeitig wird das sich auf der abgewandten Seite der die Solarstrahlung zumindest teilweise reflektierenden Reflexionsfläche jedes Strahlungsbündlers befindliche Wärmeabsorptionsmedium durch den nicht in elektrische Energie umwandelbaren Anteil der Solarstrahlung beispielsweise direkt erhitzt bzw. es erfolgt eine indirekte Erwärmung des Wärmeabsorptionsmediums durch das Aufheizen des Strahlungsbündlers. Die am Strahlungsbündler entstehende Wärmeenergie wird dann direkt auf das mit seiner Rückseite in Kontakt stehende Wärmeabsorptionsmedium übertragen. Eine sich nachteilig auswirkende Erwärmung der Solarzellen ist dadurch mit Vorteil vermieden. Der Strahlungsbündler mit seiner trichterförmigen, insbesondere nur bestimmte Strahlungsanteile entsprechender Wellenlänge reflektierenden Reflexionsfläche weist beispielsweise eine sich von seinem freien Einstrahlquerschnitt in Richtung der Solarzelle konisch verkleinernde Wandung auf. Bevorzugt ist die Wandung des Strahlungsbündlers in Längserstreckung zumindest gekrümmt ausgebildet, wobei sich der Krümmungsradius in Erstreckungsrichtung des Strahlungsbündlers verändern kann. Mittels des bevorzugt die Zwischenräume zwischen den Strahlungsbündlern vollständig ausfüllenden Absorptionsmediums, welches insbesondere selbst Trägermedium innerhalb des separaten zweiten Wärmeabsorptions-Kreislaufes ist, lässt sich über an den Solarkollektor angeschlossene Rohrleitungen ein umlaufender Wärmekreislauf ausbilden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder Strahlungsbündler als zumindest thermisch transparente Eigenschaften aufweisender Strahlungsteiler ausgebildet ist. Der Einsatz eines als Strahlungsteiler ausgebildeten Strahlungsbündlers hat den Vorteil, dass insbesondere für die im Solarkollektor eingesetzten, den Boden eines jeweiligen Strahlungsbündlers ausbildenden Solarzellen jeweils nur bestimmte Strahlungsbestandteile an der Reflexionsfläche reflektiert werden. Die restlichen, nicht zur Erzeugung von elektrischer Energie geeigneten, in der Sonnenstrahlung enthaltenen Strahlungsanteile durchdringen vorzugsweise die Wandung des insbesondere transparent ausgebildeten Strahlungsbündlers und erwärmen somit das auf der Rückseite der Strahlungsbündler befindliche Wärmeabsorptionsmedium. Die Wandung des Strahlungsbündlers kann derart gewölbt sein, dass dessen Reflexionsfläche konkav und/oder konvex geformte Flächenbereiche aufweist.
Die Reflexionsfläche des Strahlungsbündlers kann dazu bevorzugt mit einer bestimmte Strahlungsspektren der einfallenden Sonnenstrahlung reflektierenden Beschichtung versehen sein. Das Aufbringen einer Beschichtung auf die Reflexionsfläche der Strahlungsbündler hat den Vorteil, dass deren Reflexionsverhalten insbesondere in Abhängigkeit zur Bauart der jeweils Anwendung findenden Solar zellen individuell eingestellt werden kann. Zudem lässt sich eine Beschichtung auf die insbesondere trichterförmig ausgebildete Innenfläche eines jeweiligen Strahlungsbündlers relativ einfach auftragen. Die Beschichtung kann zum Beispiel ein auf Polymerbasis hergestelltes selektives Halbleiter-Material sein.
Jeder Strahlungsbündler weist im Bereich seines freien Einstrahlquerschnittes ein die einfallende Strahlung umlenkendes Optikelement auf, wodurch die in den auch als Aperturfläche bezeichneten Einstrahlquerschnitt gegebenenfalls schräg einfallende Strahlung bevorzugt in Richtung der den Boden des Strahlungsbündlers ausbildenden Solarzelle umgelenkt und gleichzeitig vor der Solarzelle punktförmig konzentriert wird. Der Einsatz eines insbesondere als Fresnel'sche Stufenlinse ausgebildeten Optikelementes hat den Vorteil, dass eine aufwendige Nachführung eines jeweiligen Sonnenkollektors in eine vorzugsweise senkrechte Ausrichtung zum Sonnenstand nicht notwendig ist, und dadurch ein vorteilhaft großer Anteil der einfallenden Solarstrahlung direkt auf die Solarzelle gerichtet ist. Anstelle einer Fresnellinse können selbstverständlich auch andere Optikelemente eingesetzt werden, die das einfallende Sonnenlicht auf den Bereich der Solarzelle konzentrieren.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass jede Solarzelle und ihr jeweils zugeordneter Strahlungsbündler thermisch voneinander entkoppelt sind. Darüber ist mit Vorteil sichergestellt, dass die am Strahlungsbündler entstehende Wärme nicht auf die Solarzelle übertragen wird und somit keine Leistungsminderung aufgrund eines unerwünschten Wärmeeintrages entsteht. An der beispielsweise kreisförmig oder auch rechteckig ausgebildeten, unteren Stirnfläche des Strahlungsbündlers ist dazu insbesondere eine Dämmschicht aus einem Isoliermaterial angeordnet. Die insbesondere die Solarzelle zu großen Teilen einfassende Dämm schicht verhindert somit einen direkten Wärmeübergang sowohl vom Strahlungsbündler als auch vom zweiten Wärmeabsorptions-Kreislauf.
Um die an der Solarzelle durch die auftreffende Strahlung entstehende Wärme vorteilhaft abführen zu können, ist die Rückseite jeder Solarzelle vollflächig mit der Wärmeabführleitung des ersten Wärmeabsorptions-Kreislaufes verbunden. Dadurch ist sichergestellt, dass nahezu die gesamte entstehende Wärme von dem die bevorzugt einen rechteckigen Querschnitt aufweisende Wärmeabführleitung durchströmenden Wärmeaufnahmemedium aufgenommen und aus einem jeweiligen Solarkollektor abgeführt werden kann. Somit lässt sich stets eine relativ niedrige Temperatur an den Solarzellen gewährleisten, wodurch mittels der Solarzellen stets ein relativ hoher Wirkungsgrad bei der Umwandlung der Lichtenergie der Sonne in elektrische Energie erreicht ist.
Die das Wärmeaufnahmemedium führende Wärmeabführleitung ist dabei im Bereich ihrer äußeren, freien Mantelfläche thermisch isoliert, um eine Wärmeabgabe innerhalb des Solarkollektors mit Vorteil zu vermeiden. Die beim Transport des Wärmeaufnahmemediums entstehenden Wärmeverluste sind somit vorteilhaft gering, was sich zudem vorteilhaft auf die Nutzbarmachung der durch das Wärmeaufnahmemedium abtransportierten Wärmemenge auswirkt. Das aufgeheizte Wärmeaufnahmemedium des ersten Wärmeabsorptions-Kreislaufes kann beispielsweise über einen Wärmetauscher geführt werden, über den dann unter anderem das in die Zwischenräume einströmende Wärmeabsorptionsmedium des zweiten Wärmeabsorptions-Kreislaufes vorgewärmt wird.
Darüber hinaus ist vorgesehen, dass das in der Wärmeabführleitung geführte Wärmeaufnahmemedium ein innerhalb des ersten Kreislaufes seinen Aggregatzustand änderndes Kältemittel ist. Der Einsatz eines Kältemittels hat den Vorteil, dass dieses in einem Kältezyklus Wärmeenergie entgegen einem Temperatur gradienten transportieren kann. Dementsprechend kann die Umgebungstemperatur im Bedarfsfall höher sein als die Temperatur der zu kühlenden Solarzellen. Voraussetzung für die Durchführung eines derartigen Kühlvorgangs mit einem Kältemittel ist die Verwendung einer Kälteanlage, welche wenigstens einen Verdichter, eine Drossel, einen Verflüssiger und einen Verdampfer umfasst.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in dem die Zwischenräume zwischen den Strahlungsbündlern füllenden Wärmeabsorptionsmedium mindestens eine Rohrleitung mit einer darin strömenden Trägerflüssigkeit zur Wärmeabfuhr angeordnet ist. Bevorzugt laufen eine Vielzahl von Rohrleitungen parallel oder auch quer zueinander zwischen den eine vorbestimmte Anordnung aufweisenden Strahlungsbündlern hindurch. Darüber lässt sich insbesondere eine vorteilhafte Wärmeübertragung innerhalb des zweiten Wärmeabsorptions-Kreislaufes von dem nunmehr dauerhaft im Inneren des erfindungsgemäß ausgebildeten Solarkollektors verbleibenden Wärmeabsorptionsmedium auf die innerhalb der Rohrleitung strömenden Trägerflüssigkeit gewährleisten. Die einzelnen durch das Wärmeabsorptionsmedium geführten Rohrleitungen können zu einer gemeinsamen Sammelleitung zusammengeführt werden, über welche die auf ein entsprechendes Temperaturniveau erhitzte Trägerflüssigkeit zu einem möglichen Verbraucher transportiert wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
1: eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Solarkollektors zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische und thermische Energie; und
2: eine Ansicht einer mindestens einen Solarkollektor aufweisenden Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie.
Mit 1 ist ein insbesondere in Flachbauweise ausgeführter Solarkollektor 1 bezeichnet, der ein Gehäuse 2 mit einem isolierten Boden 3 und isolierten Seitenwänden 4 aufweist. Zum Schutz der empfindlichen Solarzellen 5, 6 sowie der jeweils zugeordneten Strahlungsbündler 7, 7' weist das Gehäuse 2 eine transparente Abdeckung 8 auf. Die Solarzellen 5, 6 sind dabei am unteren sich verjüngenden Ende der Strahlungsbündler 7, 7' angeordnet, wobei eine thermische Entkopplung derer zueinander sichergestellt ist. Die Wandung 9 jedes Strahlungsbündlers weist insbesondere eine in beide Hauptachsen gekrümmte Formgebung auf, wodurch eine vorteilhafte Reflexion der auf die innere Reflexionsfläche 10 auftreffenden Strahlung in Richtung der den waagerechten Boden der Strahlungsbündler 7, 7' ausbildenden Solarzellen 5, 6 umgelenkt wird. Unterhalb der Solarzellen ist jeweils eine einen ersten Wärmeabsorptions-Kreislauf ausbildende Wärmeabführleitung 11, 11' vorgesehen, welche einen rechteckigen Querschnitt aufweist und in der bevorzugt ein sein Aggregatzustand änderndes Kältemittel aufgenommen ist. Darüber hinaus ist vorgesehen, dass die Reflexionsfläche 10 jedes Strahlungsbündlers 7, 7' mit einer bestimmte Strahlungsspektren reflektierenden Beschichtung versehen sein kann, so dass bestimmte Anteile der einfallenden Sonnenstrahlung durch die Wandung 9 der Strahlungsbündler 7, 7' in den Zwischenraum 12 zwischen diese hindurch tritt und von dem den Zwischenraum 12 füllenden Wärmeabsorptionsmedium aufgenommen wird. In dem Absorptionsmedium sind des Weiteren Rohrleitungen 13, 14 angeordnet, durch die eine Trägerflüssigkeit strömt, welche die im Absorptionsmedium gespeicherte Wärmemenge aus dem Solarkollektor 1 herausführt. Mittels des Wärmeabsorptionsmediums auf der Rückseite der Strahlungsbündler 7, 7' und der darin aufgenommenen Rohrleitungen 13, 14 mit der darin strömenden Trägerflüssigkeit ist ein zweiter Wärmeabsorptions-Kreislauf ausgebildet. Um insbesondere einen Wärmeausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmeabsorptions-Kreislauf so gering wie möglich zu halten, sind die Wärmeabführleitungen 11, 11' des ersten Wärmeabsorptions-Kreislaufes vollflächig isoliert. Am oberen Ende, insbesondere den Einstrahlquerschnitt bzw. die Aperturfläche ausgebildeten Abschnitt eines jeweiligen Strahlungsbündlers 7, 7' ist ein die einfallende Strahlung brechendes Optikelement 15 vorgesehen, welches die Strahlung unabhängig vom Sonnenstand in Richtung der Solarzelle umlenkt und diese zusätzlich punktförmig bündelt.
In 2 ist in Form eines Blockschaltbildes eine mindestens einen Solarkollektor 1 aufweisende Vorrichtung 16 zur Umwandlung von Solarenergie in elektrische und thermische Energie gezeigt. Die im Solarkollektor 1 mittels der Solarzellen 5, 6 erzeugte elektrische Energie wird über die elektrische Leitung 17 einem Wechselrichter 18 zugeführt, von dem aus das öffentliche Stromnetz gespeist wird. Die im ersten Wärmeabsorptions-Kreislauf 19 entstehende Abwärme wird über die Rohrleitung 20 zu einem insbesondere innerhalb eines Wärmespeichers 21 angeordneten Wärmetauscher 22 transportiert, dort die Wärme entzogen bzw. abgegeben und das abgekühlte Wärmeaufnahmemedium über die Rohrleitung 20' des ersten Wärmeabsorptions-Kreislaufes 19 zum Solarkollektor zurückgeführt. Die innerhalb des zweiten Wärmeabsorptions-Kreislaufes 23 erzeugte Abwärme wird mittels einer Wärmeträgerflüssigkeit über die Rohrleitung 24 einem weiteren, vorzugsweise im Wärmespeicher 21 angeordneten Wärmetauscher 25 zugeführt, wobei über eine Steuerbox 26 geprüft wird, ob der Warmwasserspeicher weitere Wärme aufnehmen kann. Ist das der Fall, so wird die über die Rohrleitung 24 transportierte Abwärme in den Wärmespeicher 21 eingeleitet. Ansonsten wird die Abwärme einem Thermo-Elektro-Energieumwandler 27 bereitgestellt, welcher die thermische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die mittels des Energiewandlers 27 erzeugte Energie wird ebenfalls dem Wechselrichter 18 zugeführt und anschließend ins öffentliche Netz eingespeist. Die herabgekühlte Wärmeträgerflüssigkeit des zweiten Wärmeabsorptions-Kreislaufes 23 wird anschließend über die Rohrleitung 24' zurück zum Solarkollektor 1 geleitet. Die im Wärmespeicher 21 gespeicherte Wärme kann nunmehr je nach Bedarf einem beliebigen Verbraucher zugeführt werden. Mittels einer derartigen Vorrichtung 16 wird insbesondere in den sonnenreichen Sommertagen eine übermäßige Erwärmung der Wärmeabführmedien vermieden, so dass die heutzutage innerhalb der Solaranlagen benötigten Dehnungsgefäße nicht mehr notwendig sind.

Claims

Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische und thermische Energie, insbesondere Solaranlage, mit wenigstens einem Solarkollektor, welcher zumindest eine Vielzahl von Strom erzeugenden Solarzellen aufweist, wobei mindestens Bereiche der Solarzellen mit wenigstens einer ein Wärmeaufnahmemedium führenden Wärmeabführleitung zur Ausbildung mindestens eines ersten Wärmeabsorptions-Kreislaufes wärmeleitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Solarzelle (5, 6) auf ihrer Strahlungseinfallfläche mindestens ein Strahlungsbündler (7, 7') mit einer trichterförmigen Reflexionsfläche (10) zugeordnet ist, und dass auf der abgewandten Seite der die Strahlung zumindest teilweise reflektierenden Reflexionsfläche (10) jedes Strahlungsbündlers (7, 7') ein Wärmeabsorptionsmedium angeordnet ist, welches Teil eines zweiten Wärmeabsorptions-Kreislaufes (23) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Strahlungsbündler (7, 7') als zumindest thermisch transparente Eigenschaften aufweisender Strahlungsteiler ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsfläche (10) mit einer bestimmte Strahlungsspektren reflektierenden Beschichtung ausgerüstet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Strahlungsbündler (7, 7') im Bereich seines freien Einstrahlquerschnittes ein die einfallende Strahlung umlenkendes Optikelement (15) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Solarzelle (5, 6) und ihr jeweils zugeordneter Strahlungsbündler (7, 7') thermisch voneinander entkoppelt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite jeder Solarzelle (5, 6) vollflächig mit der Wärmeabführleitung (11, 11') verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabführleitung (11, 11') thermisch isoliert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Wärmeabführleitung (11, 11') geführte Wärmeaufnahmemedium ein innerhalb des ersten Kreislaufes (19) seinen Aggregatzustand änderndes Kältemittel ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem die Zwischenräume (12) zwischen den Strahlungsbündlern (7, 7') füllenden Wärmeabsorptionsmedium mindestens eine Rohrleitung (13, 14) mit einer darin strömenden Trägerflüssigkeit zur Wärmeabfuhr angeordnet ist.