DE2806337C2

DE2806337C2 - Sonnenkollektoranlage zur unmittelbaren Umwandlung der zugeführten Wärmeenergie in elektrische Energie

Info

Publication number: DE2806337C2
Application number: DE2806337A
Authority: DE
Inventors: Edgar 3579 Jesberg Brossmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-02-15
Filing date: 1978-02-15
Publication date: 1983-12-29
Also published as: EP0014703A1; SE7908533L; GB2037072A; WO1979000626A1; DE2806337A1; GB2037072B

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonnenkollektoranlage mit einer beliebigen Anzahl von auf eine elektrische Batterie geschalteten Sonnenkollektoren, die jeweils aus einer beliebigen Anzahl von in Reihe geschalteten Thermoelementen gebildet sind, deren eine Kontaktstellen von der absorbierten Sonnenstrahlung erwärmbar und deren andere Kontaktstellen von in einem allen Kollektoren gemeinsamen Kreislauf umlaufenden Kühlfluid kühlbar sind.

Eine derartige Sonnenkollektoranlage mit einem einzigen Sonnenkollektor ist aus der FR-PS 14 07 145 bekannt Bei dieser Anlage befinden sich die den Kollektor bildenden Thermoelemente mit den der Sonne zugewandten Kontaktstellen in einem von der Sonnenstrahlung erwärmbaren Ölbad, während die anderen Kontaktstellen von Wasser in einem geschlossenen Kreislauf umspült werden, das in teilweise mit Rippen versehenen Kühlrohren von der Umgebungsluft gekühlt wird. Wie die meisten Einrichtungen zum Auffangen der Sonnenenergie arbeitet auch diese Sonnenkollektoranlage demzufolge nur, solange genügend Strahlungsenergie der Sonne das Ölbad zu erwärmen vermag. Wird die Sonneneinstrahlung durch Bewölkung oder die Nachtzeit beendet kühlt sich das ölbad rasch ab, und entsprechend sinkt die Erzeugung der elektrischen Energie in den Thermoelementen binnen kurzem auf Null.

Bei einer derartigen Sonnenkoiiektoraniage ist es auch bereits bekanntgeworden (US-PS 10 77219), die Thermoelemente mit den gegen die Sonne gerichteten Kontaktstellen in eine Strahlungsabsorbierende Platte einzubetten, welche die obere Abdeckung eines Flüssigkeitsreservoirs bildet, in das die zu kühlenden Kontaktstellen reichen.

Ferner ist es bei Anlagen zur Nutzung der Sonnenenergie bekannt (DE-OS 26 01 170), ein durch die Sonnenstrahlung erwärmtes Fluid das als Wärmeträger wirkt, in einen Kreislauf einem Wärmespeicher zuzuführen, aus dem die gespeicherte Wärme entnommen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sofort mit Beginn der Sonnenstrahlung elekirische Energie abgebende Sonnenkollektoranlage der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß sie nach Fortfall der Sonnenstrahlung über einen größeren Zeitraum von wenigstens einigen Stunden mit der Lieferung der elektrischen Energie fortfährt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Einrichtung zur Abführung der von den Sonnenkollektoren an das Kühlfluid bei Sonneneinstrahlung abgegebenen Wärmeenergie zu einer Speichereinrichtung, von welcher die gespeicherte Wärmeenergie bei fehlender Sonneneinstrahlung dem Kühlfluid unter Erwärmung desselben auf eine die Temperaturdifferenz in den Sonnenkollektoren umkehrende Temperatur wieder zuführbar ist, während gleichzeitig der Anschluß der Sonnenkollektoren an die Batterie umpolbar ist.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Sonnenkollektoran-Isge gelingt es, auch die vom Kühlfluid, wie Wasser, abgeführte Wärmeenergie, die zunächst nicht zur Umwandlung in elektrische Wärmeenergie verwendet wird, in Zeiten fehlender Sonneneinstrahlung unter Verwendung der gleichen Thermoelemente in elektrische Energie umzusetzen und damit die Ausbeute an elektrischer Energie aus der Sonneneinstrahlung wesentlich zu steigern.

Nach einem ersten Merkmal zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Speichereinrichtung aus einem primärseitig vom Kühlfluid durchströmten Wärmetauscher, dessen Sekundärseite über eine reversible Wärmepumpe mit einem Wärmespeicher verbunden ist. Solange Sonneneinstrahlung vorliegt, wird der Wärmespeicher von der Wärmepumpe aufgeladen, während gleichzeitig dadurch das Kühlfluid. wie Wasser, auf die zur Kalthaltuns der unteren

Kontaktstellen der Thermoelemente erforderliche Temperatur gekühlt wird. Ist hingegen, wie zur Nachtzeit oder bei schlechtem Wetter, keine Sonnenstrahlung vorhanden, wird die Förderrichtung der Wärmepumpe umgekehrt und dadurch das Kühlfluid aus dem Wärmespeicher auf eine möglichst hohe Temperatur aufgeheizt, was zur Folge hat, daß nunmehr die unteren Konfaktstellen der Thermoelemente auf eine wesentliche höhere Temperatur als die vor allem bei Nacht stark abgekühlten oberen Kontaktstellen gelanger, so daß in umgekehrter Richtung eine Spannung an den Thermoelementen auftritt, die entsprechend eine Umpohing der angeschlossenen Batterie erforderlich macht

Nach einem anderen Merkmal zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht ein jeder Sonnenkollektor -aus einer Vielzahl flächenbedeckend nebeneinander angeordneter Paare von kurzen Drähten aus den beiden zur Bildung eines Thermoelements zu kombinierenden Stoffen, die abwechselnd an den der Sonnenstrahlung zugewandten oberen und d-in dem Kühlfluid zugewandten unteren Enden zur Bildung von durch die Sonnenstrahlung erwärmbaren oberen und durch das Kühlfluid kühlbaren unteren Kontaktstellen miteinander verbunden sind, wobei die oberen Kontaktstellen in einen die Sonneneinstrahlung absorbierenden Nichtleiter eingebettet sind. Ein bevorzugter Weg zur praktischen Verwirklichung eines solchen Plattenkollektors kann in noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung dann darin bestehen, daß der die Sonneneinstrahlung absorbierende Nichtleiter eine durch ein Bindemittel verfestigte Schicht aus Quarzsand ist Ferner können die Drähte mit Abstand zu dem die Sonnenstrahlung absorbierenden Nichtleiter dichtend eine Platte aus nichtleitendem Material durchsetzen, welche die Deckwand einer vom Kühlfluid durchströmten flachen Kammer bilde!. Vorzugsweise besteht diese Platte aus Acrylglas, in welches die Drähte unter Freilassung der unteren Kontaktstellen eingegossen sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, in der das Prinzip einer Sonnenkollektoranlage mit einem im Querschnitt wiedergegebenen Sonnenkollektor gezeigt ist. ·» >

Es versteht sich von selbst, daß in Wirklichkeit eine Vielzahl derartiger Sonnenkollektoren zu einer Batterie vereinigt ist, die sowohl elektrisch als auch im bezug auf das Kühlsystem in beliebiger Weise parallel oder in Reihe kombiniert werden können. >"

Der in reiner Gesamtheit mit 10 bezeichnete Sonnenkollektor ist ein plattenförmiges Bauelement von beispielsweise 10 · 10 cm Größe, das im allgemeinen fest mit einer solchen Neigung in Richtung zum Mittagsstand der Sonne angeordnet werden wird, daß " diese im Jahres- und Tagesmittel möglichst steil auf die Kollektoroberfläche auftrifft.

Der Sonnenkollektor 10 weist eine zweckmäßig von einer Glasplatte 12 abgedeckte Schicht 14 aus beispielsweise Quarzzement auf, in welche die oberen «1 Kontaktstellen 16 einer großen Anzahl Thermoelemente 18 eingebettet sind. Jedes Thermoelement 18 besteht aus zwei kurzen Drähten 20, 22 verschiedener Metalle oder Legierungen, die zur Bildung der oberen Kontaktstellen 16 miteinander verlötet oder verschweißt sind. Die Thermoelemente 18 sind unter Bildung unterer Kontaktsiellen 24 zwischen je einem Draht des einen Stoffs und einem Draht des anderen Stoffs in Reihe zu einer sog. Thermosäule geschaltet. So können beispielsweise auf der betrachteten Fläche von 10- 10 cm 3300 derartige Thermoelemente in Reihe geschaltet sein, was bei Verwendung von Kupfer und Konstanten für die beiden Drähte 20, 22 bei 50⁰G eine Leerlaufspannung von 6,6 Volt ergibt

Die Drähte 20, 22 der Thermoelemente 18 sind mit den unteren Kontaktstellen 24 in eine Acrylglasplatte 26 eingegossen, welche die Deckwand einer von einem Kühlfluid, wie beispielsweise Wasser, durchströmten flachen Kammer 28 bildet

Eine Pumpe 30 fördert das Kühlfluid im geschlossenen Kreislauf durch die Kammer 28 sowie die Primärseite eines Wärmetauschers 32, der sekundärseitig über eine reversible Wärmepumpe 34 mit einem Wärmespeicher 36 beliebiger Ausführung thermisch verbunden ist

Die von der Reihenschaltung der Thermoelemente 18 gebildete Thermosäule ist über Anschlußdrähte 38, 40 und einen Polwendeschalter 42 mit ^rier Batterie 44 verbunden, an deren Klemmen 46, 48 ein beliebiger Verbraucher angeschlossen werden kann.

Die vorbeschriebene Sonnenkollektoranlage arbeitet im Prinzip wie folgt:

Wenn ~"ie Sonne scheint, erwärmt die auf den Sonnenkollektor 10 auftreffende Sonnenstrahlung die Quarzzementschicht 14 und damit die oberen Kontaktstellen 16 der Thermoelemente, während gleichzeitig deren untere Kontaktstellen 24 durch Umwälzung des Kühlfluids von der Pumpe 30 auf einer vergleichsweise niedrigen Temperatur gehalten werden. Die Temperaturdifferenz zwischen den inneren Kontaktstellen 16 und den äußeren Kontaktstellen 24 bewirkt die Entstehung einer Spannung in der Thermosäule und damit eines Stromflusses durch die Batterie 44, mit welchem diese aufgeladen wird.

Die von der Quarzzementschicht 14 durch die Acrylglasplatte 26 hindurchdringende Wärme ebenso wie die vom Stromfluß in den Thermoelementen erzeugte Wärme werden versuchen, die unteren Kontaktstellen 24 der Thermoelemente gleichfalls zu erwärmen. Diese Wärme wird von dem Kühlfluid ständig abgeführt und mit Hilfe des Wärmetauschers 32 und der Wärmepumpe 34 dem Wärmespeicher 36 zugeführt.

Ist, wie zur Nachtzeit oder bei bedecktem Himmel, keine Sonnenstrahlung vorhanden, kann der Sonnenkollektor 10 dennoch zur Stromerzeugung benutzt werden, indem die Wärmepumpe 34 reversiert wird und damit Wärme aus dem Wärmespeicher 36 und den Wärmetauscher 32 dem Kühlwasser zugeführt wird. Die Pumpe 30 drückt nunmehr das wa.-rne Kühlwasser durch die Kamme» 28 des Sonnenkollektors und erwärmt die unteren Kontaktstellen 24 der Thermoelemente, während die oberen Kontaktstellen 16 von der Umgebungsluft, insbesondere zur Nachtzeit gekühlt werden. Dadurch entsteht an den Thermoelementen 18 eine entgegengesetzte Spannung, die mit Hilfe des Polwenders 42 umgekehrt wird, so daß auch unter diesen Umständen die Batterie 44 weiter aufgeladen werden kann.

Die Kollektoren der Anlage können in bekannter Weise mit Konzentratoren. insbesondere Spiegeln, wie beispielsweise bei den bekannten Sonnenkochern, versehen sein, um die auf sie auftreffende Strahlungsmenge zu vergrößern und damit ihre Temperatur und demzufolge die erzeugte Spannung und Leistung zu erhöhen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sonnenkollektoranlage mit einer beliebigen Anzahl von auf eine elektrische Batterie geschalteten Sonnenkollektoren, die jeweils aus einer beliebigen Anzahl von in Reihe geschalteten Thermoelementen gebildet sind, deren eine Kontaktstellen von der absorbierten Sonnenstrahlung erwärmbar und deren andere Kontaktstellen von in einem allen Kollektoren gemeinsamen Kreislauf umlaufenden Kühlfluid kühlbar sind, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Abführung der von den Sonnenkollektoren (10) an das Kühlfluid bei Sonneneinstrahlung abgegebenen Wärmeenergie zu einer Speichereinrichtung (32,34, 36), von welcher die gespeicherte Energie bei fehlender Sonneneinstrahlung dem Kühlfluid unter Erwärmung desselben auf eine die Temperaturdifferenz in den Sonnenkollektoren (10) umkehrende Temperatur wieder zuführbar ist während gleichzeilig der ÄnschiüB der Sonncnkoüektoren (10) an die Batterie (44) umpolbar ist

2. Sonnenkollektoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Speichereinrichtung aus einem primärseitig vom Kühlfluid durchströmten Wärmetauscher (32) besteht dessen Sekundärseite über eine reversible Wärmepumpe (34) mit einem Wärmespeicher (36) verbunden ist

3. Sonnenkollektoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein jeder Sonnenkollek- _J0 tor (10) sr-'s einer Vielzahl flächenbedeckend nebeneinander angeordneter Paare von kurzen Drähten (20, 22) aus den beiden zur Bildung der Thermoelemente (18) zr. kombinierenden Stoffen besteht, die abwechselnd an den der Sonnenstrahlung zugewandten oberen und den dem Kühlfluid zugewandten unteren Enden zur Bildung von durch die Sonnenstrahlung erwärmbaren oberen und durch das Kühlfluid kühlbaren unteren Kontaktstellen (16 bzw. 24) miteinander verbunden sind, und daß die oberen Kontaktstellen (16) in einen die Sonnenstrahlung absorbierenden Nichtleiter (J4) eingebettet sind.

4. Sonnenkollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Sonnenstrahlung absorbierende Nichtleiter (14) eine durch ein Bindemittel verfestigte Schicht aus Quarzsand ist.

5. Sonnenkollektor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (20,22) mit Abstand zu dem die Sonnenstrahlung absorbieren- ,0 den Nichtleiter (14) dichtend eine Platte (26) aus nichtleitendem Material durchsetzen, welche die Deckwand einer vom Kühlfluid durchströmten flachen Kammer bildet.

6. Sonnenkollektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (26) aus Acrylglas besteht, in welches die Drähte unter Freilassung der unteren Kontaktstellen (24) eingegossen sind.