DE3109284A1

DE3109284A1 - "sonnenkraftwerk mit fotovoltaischen zellen"

Info

Publication number: DE3109284A1
Application number: DE19813109284
Authority: DE
Inventors: Karl-Friedrich Dipl.-Phys. Dr. Boese; Peter Dipl.-Phys. 8520 Erlangen Glasow; Hans-Gerd Ing.(grad.) 5060 Bergisch-Gladbach Spillekothen
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1981-03-11
Filing date: 1981-03-11
Publication date: 1982-09-30
Also published as: ES510288A0; ES8303822A1; GR81543B; IT1190713B; IT8219936A0

Description

Sonnnenkraftwerk mit fotovoltaischen Zellen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sonnenkraftwerk mit fotovoltaischen Zellen, in denen das auftreffende Licht unmittelbar in elektrische Energie umgewandelt wird. Wegen der hohen Herstellungskosten von fotovoltaischen Zellen ist bereits vorgeschlagen worden, das Sonnenlicht durch Spiegel oder ähnlich wirkende Mittel auf die Zellen zu konzentrieren#, so z. B. in der DE-OS 28 54 609, wo allerdings der Hauptteil der Energie in Form von Wärmeenergie durch die Aufheizung eines durch den Brennpunkt der Spiegel hindurchgeführten Kühlfluids gewonnen wird; die fotovoltaischen Zellen dienen in diesem Falle dazu, das in den Randbereichen geringer konzentrierte Sonnenlicht zu nutzen, werden aber im übrigen wie auch wärmeabsorbierende Empfänger mit dem vollen Lichtspektrum bestrahlt. Die fotovoltaischen Zellen werden durch einen vom Hauptkühlmittelstrom abgezweigten Teilstrom gekühlt und tragen so, wenn auch in geringem Maße auch indirekt über die Wärmegewinnung zur Energieerzeugung bei. Eine Kühlung der Zellen ist insbesondere zur Verbesserung ihres Wirkungsgrades erforderlich.
In M. J. O'Leary und L. Davis Clements: "Thermal-Electric Performance Analysis for Actively Cooled, Concentrating Photovoltaic Systems", Solar Energy 25 (1980), Seite 401 bis 406 werden die Probleme untersucht, die sich aus der Aufheizung der Zellen in einem nur mit solchen betriebenen Sonnenkraftwerk ergeben und eine hohle Halterung beschrieben, die an ihrer Außenseite die fotovoltaischen Zellen trägt und in ihrem Inneren von einem Kühlmittel durchströmt wird. Auch hier werden die Zellen dem vollen Spektralbereich des Lichtes ausgesetzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Sonnenkraftwerk mit unmittelbarer Erzeugung elektrischer Energie aus fotovoltaischen Zellen, deren Aufheizung auf das unumgängliche Maß verringert wird und das zugleich Wärmeenergis in nutzbarer Form im Niedertemperaturbereich z. B. zu Heizungszwecken abgibt. Ein solches Kraftwerk ist insbesondere für die Versorgung von nicht an das öffentliche Netz angeschlossenen Einrichtungen, z. B.
von Forschungsstationen in abgelegenen Gebieten geeignet, die Energie sowohl in Form von Elektrizität als auch von Wärme benötigen, und für die die Vermeidung von Emissionen an die Umwelt wichtig sein kann, wie sie etwa durch mit fossilen Brennstoffen betriebene Zusatzheizungen usw. hervorgerufen würden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im kennzeichnenden Teil des ersten Anspruchs angegebenen Mittel.
Durch die Trennung des Lichtspektrums in zwei Teile, deren einer, der allein für die fotovoltaische Umwandlung nutzbare auf die Zellen gerichtet wird und deren zweiter auf einen Absorber gerichtet ist, der von herkömmlicher Art sein kann, bewirkt, daß die fotovoltaischen Zellen bei gleicher Kühlung, wie sie weiter oben beschrieben wurde, intensiver bestrahlt werden können. In diesem Sonnenkraftwerk können durch Filterung des Sonnenlichtes alle bekannten Solarzellen verwendet werden, vorzugsweise Siliciumzellen oder auch Galliumarsenidzellen sowie Galliumarsenidphosphidzellen. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, das Sonnenkraftwerk aus Solarzellen mit einem Halbleiterkörper aus einer Kombination von Halbleitermaterialien mit verschiedenen Bandabständen aufzubauen.
In der Ausführungsform eines Sonnenkraftwerkes, an das eine Kältemaschine angeschlossen ist, um einen Kühlbedarf zu decken, werden vorzugsweise Solarzellen nus einem Halbleitermaterial mit einem großen Bandabstand verwendet.
Das sind beispielsweise Solarzellen aus Cadmiumtellurid CdTe oder Galliumarsenid GaAs, insbesondere aber Galliumarsenidphosphid GaAsP, Galliumphosphid GaP und Indiumphosphid InP sowie Aluminiumantimonid AlSb. Diese Solarzellen haben auch noch einen hohen Wirkungsgrad bei hohen Temperaturen von beispielsweise etwa 370 K, bei denen Kältemaschinen mit hohem Wirkungsgrad arbeiten.
Der Anspruch 2 definiert ein spezielles Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens, an dem der Vorteil desselben konkretisiert werden kann. Die Verwendung der an sich bekannten Galliumarsenidzellen gegenüber den weiter verbreiteten Siliciumzellen erscheint in einem Kraftwerk, das mit lichtkonzentrierenden Mitteln arbeitet, besonders vorteilhaft, da erstere nicht nur einen höheren Wirkungsgrad (20 gegenüber 15 %) besitzen, sondern diesen Wirkungsgrad bei Bestrahlung mit 50fach oder noch stärker konzentriertem Licht behalten bzw. noch steigern, wogegen bei Bestrahlung der letzteren mit ähnlich konzentriertem Sonnenlicht der Wirkungsgrad abnimmt.
Beginnt das Spektrum auch bei etwa 200 nm Wellenlänge, so kann doch bei Verwendung von Gallium-Arsenidzellen auf den Bereich unterhalb von 400 nm verzichtet werden, da die Zellen hierfür nur noch eine relative Empfindlichkeit von etwa 20 % besitzen. Wird, wie vorgeschlagen, der unterhalb von 420 - 450 nm liegende Spektralbereich abgelenkt, bzw. wie weiter unten vorgeschlagen, ausgefiltert, läßt sich die Wärmebelastung der Zellen bei kaum merkbarer Leistungseinbuße um 12 - 15 % verringern. Oberhalb der vorgeschlagenen Wellenlänge von 880 - 900 nm besitzen Gallium-Arsenidzellen einen Wirkungsgrad von praktisch 0.
Wird auch dieser Teil des Lichtspektrums von den Zellen ferngehalten, wird deren Wärmebelastung um weitere 30 -35 % verringert. Diese zusammen etwa 50 % der den Zellen sonst zugeführten#Wärmemengen können durch Umlenkung auf einen Absorber problemlos abgeführt und anderweitig nutzbar gemacht werden.
Wie im Anspruch 3 vorgeschlagen, können auch fotovoltaische Zellen unterschiedlicher Art mit Ansprechempfindlichkeiten in entsprechend verschiedenen Spektralbereichen im gleichem Kraftwerk verwendet werden. Die Mittel zum Aufspalten des Lichtspektrums in mehrere Teile können dann dazu verwendet werden, jede der verwendeten Zellensorten mit einem für sie besonders günstigen Teil des Sonnenspektrums zu bestrahlen.
Durch die im 4. Anspruch vorgeschlagenen Mittel wird eine Vereinigung des Absorbers mit den zum Aufspalten des Lichtspektrums verwendeten Mitteln erreicht.
Dieser Erfindungsgedanke erscheint in seiner Abwandlung nach Anspruch 5 besonders vorteilhaft, indem die Glaskörper zugleich die Wandung des zu ihrer Kühlung erforderlichen Kühlmittelkanals bilden.
Als Kühlfluid kommt in erster Linie Wasser in betracht, das durch die Wärmeabgabe aus dem Absorber z. B. auch zu niedergespanntem Dampf verwandelt werden kann.
In Anspruch 6 wird eine Schaltung vorgeschlagen, bei der das in der Halterung der fotovoltaischen Zellen zu deren Kühlung zirkulierende Kühlfluid, vorzugsweise ebenfalls Wasser, als vorgewärmtes Speisewasser dem Absorber zugeführt wird. Die gesamte, sowohl in den Zellen als auch im Absorber anfallende Wärme kann so genutzt werden.
Durch den Anspruch 7 wird ein besonders zum Einsatz in einem Kraftwerk der beschriebenen Art geeigneter Absorberkörper definiert. Die den für die Zellen unbrauchbaren Teil des Sonnenspektrums ausfilternden, d. h.
absorbierenden Glasrohre, vorzugsweise konzentrisch zueinander angeordnet, bilden einen Ringraum, in dem das zu ihrer Kühlung verwendete Kühlfluid zirkuliert. Die innerhalb des Innenrohres angeordneten Zellen sind so nicht nur vor unerwünschter Wärmestrahlung, sondern auch vor anderen Witterungseinflüssen geschützt.
Nach der im Anspruch 8 vorgeschlagenen Ausführungsform findet die Aus filterung des ober- bzw. unterhalb des durch die Zellen nutzbaren Spektrums gelegenen Teils in je einem der Rohre statt, die zu diesem Zweck aus verschiedenen Glassorten gefertigt werden.
Da die z. Z. verfügbaren Glassorten, die für eine Abdeckung des oberen Teils des Spektrum in Betracht kommen, sich nur schwer zu Rohren verarbeiten lassen, wird gemäß Anspruch 9 vorgeschlagen, die vorige Anordnung so abzuwandeln, daß die beiden den Kühlkanal begrenzenden Glasrohre aus der gleichen Glassorte hergestellt werden und der Filter bzw. Absorber für den oberen Spektralbereich aus einem zwischen diesen Rohren angeordneten Glaskörper einer anderen Sorte bestehen, der nicht geschlossen zu sein braucht, für den vielmehr eine Halbkreisform genügt.
Bei der Abwandlung des Erfindungsgedankens gemäß dem Anspruch 10 wird auch das Kühlfluid selbst zur Absorption eines Teils der eingestrahlten Wärmemenge herangezogen. Dem Fachmann sind Kühlfluid mit diesen Eigenschaften bekannt, z. B. Wasser oder Kohlendioxid.
Es versteht sich von selbst, daß das Kühlfluid für denjenigen Teil des Lichtspektrums durchlässig sein muß, der von den fotovoltaischen Zellen genutzt werden soll. Auch sind für die im Vorhergehenden vorgeschlagenen Rohre von der Kreisform abweichende Querschnittformen möglich.
Der Anspruch 11 nennt Phasengitter als zur Teilung des Lichtes in verschiedene Spektralbereiche besonders geeignetes Mittel.
Die Ansprüche 12 und 13 definieren zwei Alternativen der Anbringung des Phasengitters.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des für die vorliegende Erfindung relevanten Teils eines Sonnenkraftwerks, Fig. 2 den mit X bezeichneten Querschnitt der Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt einer zu der Fig. 2 alternativen Ausführungsform und Fig. 4 ein Diagramm der Kurven der Transmissionskoeffizizienten abhängig von der Wellenlänge.
Einer von zahlreichen Parabolspiegeln 1 eines Sonnenkraftwerks ist drehbar auf einem Sockel 2 befestigt und wird durch bekannte, hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte Einrichtungen dem jeweiligen Sonnenstand entsprechend nachgeführt derart, daß die durch die kräftigen Pfeile angedeuteten einfallenden Sonnenstrahlen auf einen Empfänger 3 konzentriert werden. Der Empfänger 3 ist mit Leitungen 4 für die Zu- bzw. Abfuhr von kaltem bzw. erhitztem Kühlfluid versehen, die zu einem beliebigen, hier nicht dargestellten Wärmeverbraucher führen, z. B. zu einer Raumheizung. Ferner ist der Empfänger 3 über elektrische Leitungen 5 an hier ebenfalls nicht dargestellte Verbraucher elektrischer Energie, z. B.
Beleuchtungskörper angeschlossen. Zur Aufteilung des reflektierten Lichtes (durch die leichteren Pfeile angedeutet) in verschiedene Spektralbereiche zu den weiter unten dargestellten Zwecken ist der Parabolspiegel 1 mit einem Phasengitter 11 versehen.
Der Aufbau des Empfängers 3 wird durch die Figur 2 verdeutlicht. Er besteht aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Glasrohren 31, zwischen denen ein Kühlfluid, vorzugsweise Wasser, zirkuliert. Die Glasrohre 31 sind aus einem Material, das die kurzwellige Strahlung, d. h.
diejenige unterhalb von etwa 400 bis 450 m absorbiert.
Auf der dem Spiegel und damit dem Einfall konzentrierten Lichts (durch die Pfeile angedeutet) zugewandten Seite ist zwischen den Glasrohren 31 und konzentrisch dazu ein Glashalbrohr 32 angeordnet, dessen Material Lichtstrahlung im Bereiche oberhalb einer Wellenlänge von etwa 900 nm absorbiert. Zur Herstellung der Glasrohre 31 und des Glashalbrohres 32 geeignete Glassorten werden in der Druckschrift Nr. 3531/2 "Farb- und Filterglas" der Firma Schott & Gen. Jenaer Glas in Mainz beschrieben. Innerhalb des inneren Glasrohres 31 ist eine Halterung 33 in Form eines beispielsweise metallischen, an seiner Innenseite mit Kühlrippen versehenen Hohlkörpers angeordnet. An ihrer dem konzentrierten Lichteinfall zugewandten Außenseite ist die Halterung 33 mit fotovoltaischen Zellen 34, vorzugsweise solchen aus Galliumarsenid, belegt. Bedingt durch das Vorhandensein der Glasrohre 31 und 32 erreicht nur die Strahlung zwischen Wellenlängen von etwa 400 bis 450 und 900 nm die Zellen und ruft in diesen eine elektrische Spannung hervor. Das über die erste Leitung 4 herangeführte abgekühlte Kühlfluid strömt zunächst im Inneren der Halterung 33 und kühlt dabei die fotovoltaischen Zellen 34. So vorgewärmt, tritt es anschließend über eine schematisch angedeutete Verbindungsleitung 41 in den Zwischenraum zwischen den Glasrohren 31 ein und wird dort erhitzt, wobei je nach Wunsch durch entsprechende, dem Fachmann geläufige Wahl der Parameter der Anlage z. B. auf 90 OC erhitztes Wasser oder aber bei 120 °C Dampf von 2,5 bar erhalten werden kann, der über die zweite Leitung 4 abgeführt wird. Anders als hier dargestellt kann auch auf das Glashalbrohr 32 verzichtet werden, wenn das Innere der beiden Glasrohre 31 aus dessen Material hergestellt wird. Der Raum zwischen dem Inneren der beiden Glasrohre 31 und der Halterung 33 ist zweckmäßigerweise evakuiert.
Die Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der von der Anordnung eines Phasengitters 12 auf der Oberfläche des äußeren Glasrohres 31 Gebrauch gemacht wird. Dadurch wird eine ähnliche räumliche Aufspaltung des Lichts in verschiedenfarbige Anteile erreicht wie mit dem Phasengitter 11 auf der Oberfläche des Spiegels 1. Das auf den Empfänger 3 auftreffende Sonnenlicht ist durch das Phasengitter in vier getrennte Spektralbereiche A, B, C, D aufgespalten.
Licht des kurzwelligen Bereichs A wird in der oben beschriebenen Weise in den Glasrohren 31 absorbiert. Der langwellige Bereich D wird in dem Glashalbrohr 32 absorbiert, wie ebenfalls bereits oben beschrieben. Die mittleren Bereiche B und C der Strahlung fallen gerichtet auf fotovoltaische Zellen 341 bzw. 342, die zur Umwandlung von Licht dieser Spektralbereiche besonders geeignet sind.
Das Diagramm der Fig. 4 zeigt die Aufteilung des Lichtes auf die einzelnen oben erwähnten Spektralbereiche und die Durchlässigkeitskurven der oben erwähnten filternden bzw. absorbierenden Materialien. Auf der Ordinate des Diagramms ist die Durchlässigkeit (in %) für die auf der Abszisse aufgetragene Wellenlänge (in nm) angegeben.
Eine Kurve a bezeichnet die Durchlässigkeit der Glasrohre 31, während eine Kurve b die Durchlässigkeit des Glashalbrohres 32 adrstellt. Die sich überschneidenden Kurven lassen ein "Fenster" in den Bereichen B und C frei, innerhalb deren die fotovoltaischen Zellen ihre größte Wirksamkeit entfalten. Durch diese nicht oder nur wenig nutzbares Licht der Bereiche A und D wird ausgefiltert.
Eine Kurve c zeigt die Lichtabsorption des als Kühlfluid vorgeschlagenen Wassers. Dieses läßt ebenfalls das erforderliche Fenster frei, während es längerwellige Strahlung, d. h. Wärme gut absorbiert.

Claims

Schutzansprüche Sonnenkraftwerk mit fotovoltaischen Zellen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) Es sind Mittel (11, 12, 31, 32) zur Trennung der einzelnen Spektralbereiche (A, B, C, D) des Lichtes voneinander vorhanden.

b) Die in den fotovoltaischen Zellen (34) nicht oder nur wenig nutzbaren Spektralbereiche (A, D) des Lichtes sind auf einen von den Zellen getrennten Absorberkörper (31, 32) gerichtet.
2. Kraftwerk nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) Die fotovoltaischen Zellen (34) sind Siliciumzellen, Galliumarsenidzellen oder Galliumarsenidphosphidzellen.

b) Der Spektralbereich (B, C) des Lichtes mit Wellenlängen zwischen 420 bis 450 nm und 880 bis 900 nm ist auf diese Zellen gerichtet.
3. Kraftwerk nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) Es sind fotovoltaische Zellen (341), (342) mit Leistungsbandbreiten in verschiedenen Spektralbereichen (B, C) vorhanden.

b) Das Licht einzelner Spektralbereiche (B bzw. C) ist auf die fotovoltaischen Zellen (341 bzw. 342) der entsprechenden Leistungsbandbreite gerichtet.
4. Kraftwerk nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) Zwischen Lichtquelle und fotovoltaischen Zellen (34) sind einer oder mehrere Glaskörper (31 oder 32) angeordnet, die das Licht unter- und/oder oberhalb des durch die fotovoltaischen Zellen nutzbaren Spektralbereichs (B, C) absorbieren.
5. Kraftwerk nach Anspruch 4, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) Die Glaskörper (31), (32) schließen einen Hohlraum ein, in dem ein Kühlfluid zirkuliert.
6. Kraftwerk nach Anspruch 5 mit fotovoltaischen Zellen (34), die auf einer hohlen, von einem Kühlfluid durchflossenen Halterung (33) montiert sind, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) Das beim Durchfluß durch die Halterung (33) erwärmte Kühlfluid dient anschließend als Kühl fluid für den Absorberkörper (31), (32).
7. Absorberkörper (3) für den Einsatz in einem Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: al Er besteht aus zwei ineinander angeordneten Glasrohren (31), (32).

b) Das innere der beiden Glasrohre (31) ist so bemessen, daß fotovoltaische Zellen (34) mit ihrer Halterung (33) in seinem Inneren Platz finden.
8. Absorberkörper nach Anspruch 7, g e k e n n z e i c hn e t d u r c h folgende Merkmale: a) Eines der Rohre (31) besteht aus einem Glas, das Licht unterhalb des durch fotovoltaische Zellen (34) nutzbaren Spektralbereichs (B, C) absorbiert.

b) Das andere Rohr (32) besteht aus einem Glas, das Licht oberhalb des durch fotovoltaische Zellen (34) nutzbaren Spektralbereichs (B, C) absorbiert.
9. Absorberkörper nach Anspruch 7, g e k e n z e i c hn e t d u r c h folgende Merkmale: a) Beide Rohre (31) bestehen aus einem Glas, das Licht unterhalb des durch fotovoltaische Zellen (34) nutzbaren Spektralbereichs (B, C) absorbiert.

b) Zwischen den beiden Rohren (31) ist ein weiterer Körper (32) aus einem Glas angeordnet, das Licht oberhalb des durch fotovoltaisnhe Zellen (34) nutzbaren Spektralbereichs (B, C) absorbiert.
10. Kraftwerk nach Anspruch 5 oder 6, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) Das Kühlfluid besitzt einen hohen Absorptionskoeffizienten für Licht von einer Wellenlänge, die oberhalb des durch die fotovoltaischen Zellen (34) nutzbaren Spektralbereichs (B, C) liegt.
11. Kraftwerk nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) Als Mittel zur Trennung der einzelnen Spektralbereiche (A, B, C, D) des Lichts dient ein Phasengitter (11, 12)
12. Kraftwerk nach Anspruch 11, gek e n n z e ich -n e t d u r c h folgendes Merkmal: a) Das Phasengitter (11) befindet sich auf der Oberfläche eines die Lichtstrahlung auf einen die Absorberkörper (31, 32) einschließenden Empfänger (3) konzentrierenden Spiegels (1).
13. Kraftwerk nach Anspruch 7 und 11, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: a) Das Phasengitter (12) befindet sich auf der Oberfläche des äußeren Glasrohres (31).